Wikiversité frwikiversity https://fr.wikiversity.org/wiki/Wikiversit%C3%A9:Accueil MediaWiki 1.48.0-wmf.1 first-letter Média Spécial Discussion Utilisateur Discussion utilisateur Wikiversité Discussion Wikiversité Fichier Discussion fichier MediaWiki Discussion MediaWiki Modèle Discussion modèle Aide Discussion aide Catégorie Discussion catégorie Projet Discussion Projet Recherche Discussion Recherche Faculté Discussion Faculté Département Discussion Département Transwiki Discussion Transwiki TimedText TimedText talk Module Discussion module Event Event talk Sujet 0 22793 987959 828806 2026-11-01T07:44:58Z Surcouf01 81280 987959 wikitext text/x-wiki {{Leçon | idfaculté = philosophie | département = Introduction à la philosophie | cours = [[Philosophie en terminale L]]<br />[[Philosophie en terminale S]]<br />[[Philosophie en terminale ES]] | niveau = 13 | 1 = {{C|Intérêt|4|13}} | 2 = {{C|Objet de la Philosophie : Quatre exemples|4|13}} | 3 = {{C|Un avis : Kant|4|13}} | 4 = {{C|Un avis : Aristote|4|13}} | 5 = {{C|Un avis : Descartes|4|13}} | 6 = {{C|Un avis : Platon|4|13}} | 7 = {{C|Conclusion|4|13}} | annexe1 = {{Ann|Texte de Kant|0|13}} | annexe2 = {{Ann|Texte de Descartes|0|13}} | annexe3 = {{Ann|Texte de Platon|0|13}} | fiche1 = {{F|Dissertation philosophique|0|13}} | fiche2 = {{F|Commentaire de texte|0|13}} | autres projets = oui | w = Philosophie }} omav60aicyyp8vvy1a3w5f3n3bqrbg7 987960 987959 2026-11-01T07:47:16Z Surcouf01 81280 987960 wikitext text/x-wiki {{Leçon | idfaculté = philosophie | département = Introduction à la philosophie | cours = [[Philosophie en terminale L]]<br />[[Philosophie en terminale S]]<br />[[Philosophie en terminale ES]] | niveau = 13 | 1 = {{C|Intérêt|4|13}} | 2 = {{C|Objet : Quatre exemples|4|13}} | 3 = {{C|Un avis : Kant|4|13}} | 4 = {{C|Un avis : Aristote|4|13}} | 5 = {{C|Un avis : Descartes|4|13}} | 6 = {{C|Un avis : Platon|4|13}} | 7 = {{C|Conclusion|4|13}} | annexe1 = {{Ann|Texte de Kant|0|13}} | annexe2 = {{Ann|Texte de Descartes|0|13}} | annexe3 = {{Ann|Texte de Platon|0|13}} | fiche1 = {{F|Dissertation philosophique|0|13}} | fiche2 = {{F|Commentaire de texte|0|13}} | autres projets = oui | w = Philosophie }} 6o107lt4mbgrfiff1721hgixcriiyf4 0 22795 987962 744919 2026-11-01T07:48:45Z Surcouf01 81280 987962 wikitext text/x-wiki {{Chapitre | idfaculté = philosophie | numéro = 1 | précédent = [[../|Sommaire]] | suivant = [[../Objet : Quatre exemples/]] | niveau = 13 }} == Apporter un bagage culturel == L'apport d'un bagage culturel permet d’avoir une vision du monde plus étendue, plus précise que celle que l’on a naturellement. Par exemple, l'étude de la notion de conscience nous dirige vers les neurosciences et la psychanalyse. Être une personne cultivée, c’est être une personne nouvelle, qui perçoit les choses autrement. == Acquérir une meilleure capacité à s'exprimer == La philosophie consiste en l’utilisation du mot juste, par exemple les mots réel et concret sont souvent confondus. Car tout ce qui est concret est réel, mais tout ce qui est réel n’est pas forcément concret. Utiliser le mot juste, c’est éviter de rester dans le vague. == Développer l'esprit critique == L'esprit critique est, selon Kant, « la capacité de penser par soi-même ». C'est se débarrasser de ce qu'on appelle l'opinion commune, un automatisme de pensée permettant de produire des idées toutes faites. Pourtant, nous avons tous l'impression de penser par nous-même, ce qui est en partie vrai. Car nous avons intériorisé les opinions communes, on a l'impression que ce sont les nôtres. Il n'est donc pas évident de s'en débarrasser, car il faut se libérer des influences extérieures (les parents, l'enseignement, les médias...). En philosophie, il faut donc toujours lutter contre cette pente naturelle et essayer de forger son esprit critique. == Philosophie : science ou matière littéraire ? == La philosophie est souvent considérée comme une matière littéraire, car dans la forme, elle utilise le langage « commun », à la différence des sciences qui ont leur propre langage (symboles mathématiques, chimiques...). Mais il ne faut pas confondre fond et forme. Dans les deux cas, le but est de connaître les choses telles qu’elles sont. Cela exige les mêmes qualités : la précision et la rigueur. Une des difficultés est que la philosophie demande d’être en partie apprise (les notions, les contextes entourant la naissance d'opinions...), et se présente comme un ensemble d'opinions supplémentaires. {{Bas de page | idfaculté = philosophie | précédent = [[../|Sommaire]] | suivant = [[../Un avis : Kant/]] }} 09se6wn45i7b6dxysc7o2ggfl497z5o 0 22801 987961 968949 2026-11-01T07:48:05Z Surcouf01 81280 987961 wikitext text/x-wiki {{Chapitre | idfaculté = philosophie | numéro = 2 | précédent = [[../Objet : Quatre exemples/]] | suivant = [[../Un avis : Aristote/]] | niveau = 13 }} Dans [[Présentation de la philosophie/Annexe/Texte de Kant|ce texte]], [[w:Emmanuel_Kant|Kant]] émet une thèse, celle que la philosophie ne s'apprend pas. Tout d’abord, il oppose l'adulte et le jeune : * L'adulte est celui qui est apte à utiliser par lui-même sa raison pour penser. Cette autonomie étant la condition et l'objectif de la philosophie, celle-ci est donc faite pour l'adulte. * Le jeune n'a pas encore une maîtrise suffisante de sa raison. Il doit se contenter d'apprendre, de laisser place en soi à une pensée extérieure. * L'étudiant est un état de transition. Sortant de l'enseignement scolaire, il va subir une période de contradiction, car habitué à apprendre, il est appelé à penser par lui-même. Cette contradiction est traduite par l’expression « ''apprendre à philosopher'' ». Ensuite, [[w:Emmanuel_Kant|Kant]] émet les conditions existantes pour qu'une science puisse être apprise, et montre l’opposition entre philosophie et les autres sciences. Au sein de ces dernières, il différencie les ''historiques'', qui se retiennent plus par la mémoire; et les ''mathématiques'' qui se retiennent plus par la compréhension. En tout cas, il ne s'agit que d'un savoir déjà établi et achevé par d'autres, il ne reste qu’à l'assimiler. Puis Kant dit que la philosophie n'existe pas en tant que savoir unifié et ne peut point s'apprendre telle quelle. Ce n'est donc pas une science au sens strict. La philosophie n'a pas d'unité car elle n’est pas achevée : rien n'est fini d’être démontré, et tout doit être démontré à nouveau pour chaque esprit qui s'essaye à la philosophie. Il existe donc autant de philosophies que de philosophes, une multitude de livres de philosophie, alors que les mathématiques au sens strict peuvent être écrites dans un seul livre. Alors se pose une question : Quel livre devons-nous choisir ? Quel philosophe ? L'enseignement philosophique n’est pas la transmission d'un savoir, mais d'un exercice, un entraînement dans les deux sens du terme (la pratique renouvelée et l'impression). Il faut entraîner l'esprit de chacun à penser par soi-même, c'est-à-dire à développer en nous la capacité d’établir nos propres connaissances, à penser par soi-même. La démarche philosophique est donc forcément personnelle et subjective, mais il faut distinguer ce qui : * Est subjectif, dans le domaine de la connaissance, ce qui est produit par un sujet. Exemple: des émotions, des idées, des pensées... * Est relatif ce qui n'a de valeur que pour ce même sujet. Ce qui est subjectif n’est pas forcément relatif (le raisonnement mathématique est à ce titre un bon exemple), les productions d'un sujet peuvent être universelle. En conséquence, ce n’est pas parce-que la philosophie est une démarche subjective qu'elle sera relative. C'est parce-que nous sommes tous dotés de la même raison que l’on peut tous accepter la même idée, et la philosophie est la découverte de cette raison. {{Bas de page | idfaculté = philosophie | précédent = [[../Intérêt/]] | suivant = [[../Un avis : Aristote/]] }} 02lul7eytxo7f4ztsaqebt8uqf9so4k 987963 987961 2026-11-01T07:49:19Z Surcouf01 81280 987963 wikitext text/x-wiki {{Chapitre | idfaculté = philosophie | numéro = 3 | précédent = [[../Objet : Quatre exemples/]] | suivant = [[../Un avis : Aristote/]] | niveau = 13 }} Dans [[Présentation de la philosophie/Annexe/Texte de Kant|ce texte]], [[w:Emmanuel_Kant|Kant]] émet une thèse, celle que la philosophie ne s'apprend pas. Tout d’abord, il oppose l'adulte et le jeune : * L'adulte est celui qui est apte à utiliser par lui-même sa raison pour penser. Cette autonomie étant la condition et l'objectif de la philosophie, celle-ci est donc faite pour l'adulte. * Le jeune n'a pas encore une maîtrise suffisante de sa raison. Il doit se contenter d'apprendre, de laisser place en soi à une pensée extérieure. * L'étudiant est un état de transition. Sortant de l'enseignement scolaire, il va subir une période de contradiction, car habitué à apprendre, il est appelé à penser par lui-même. Cette contradiction est traduite par l’expression « ''apprendre à philosopher'' ». Ensuite, [[w:Emmanuel_Kant|Kant]] émet les conditions existantes pour qu'une science puisse être apprise, et montre l’opposition entre philosophie et les autres sciences. Au sein de ces dernières, il différencie les ''historiques'', qui se retiennent plus par la mémoire; et les ''mathématiques'' qui se retiennent plus par la compréhension. En tout cas, il ne s'agit que d'un savoir déjà établi et achevé par d'autres, il ne reste qu’à l'assimiler. Puis Kant dit que la philosophie n'existe pas en tant que savoir unifié et ne peut point s'apprendre telle quelle. Ce n'est donc pas une science au sens strict. La philosophie n'a pas d'unité car elle n’est pas achevée : rien n'est fini d’être démontré, et tout doit être démontré à nouveau pour chaque esprit qui s'essaye à la philosophie. Il existe donc autant de philosophies que de philosophes, une multitude de livres de philosophie, alors que les mathématiques au sens strict peuvent être écrites dans un seul livre. Alors se pose une question : Quel livre devons-nous choisir ? Quel philosophe ? L'enseignement philosophique n’est pas la transmission d'un savoir, mais d'un exercice, un entraînement dans les deux sens du terme (la pratique renouvelée et l'impression). Il faut entraîner l'esprit de chacun à penser par soi-même, c'est-à-dire à développer en nous la capacité d’établir nos propres connaissances, à penser par soi-même. La démarche philosophique est donc forcément personnelle et subjective, mais il faut distinguer ce qui : * Est subjectif, dans le domaine de la connaissance, ce qui est produit par un sujet. Exemple: des émotions, des idées, des pensées... * Est relatif ce qui n'a de valeur que pour ce même sujet. Ce qui est subjectif n’est pas forcément relatif (le raisonnement mathématique est à ce titre un bon exemple), les productions d'un sujet peuvent être universelle. En conséquence, ce n’est pas parce-que la philosophie est une démarche subjective qu'elle sera relative. C'est parce-que nous sommes tous dotés de la même raison que l’on peut tous accepter la même idée, et la philosophie est la découverte de cette raison. {{Bas de page | idfaculté = philosophie | précédent = [[../Intérêt/]] | suivant = [[../Un avis : Aristote/]] }} cnnrxgrwmscaqc4qf3mincxn33240bl 0 22802 987964 677083 2026-11-01T07:49:38Z Surcouf01 81280 987964 wikitext text/x-wiki {{Chapitre | idfaculté = philosophie | numéro = 4 | précédent = [[../Un avis : Kant/]] | suivant = [[../Un avis : Descartes/]] | niveau = 13 }} == À quoi peut servir de devenir philosophe ? == [[w:Aristote|Aristote]] (Philosophe grec du {{s|4}} avant notre ère, un des piliers de la pensée occidentale) dit que la philosophie n’est pas utile pour vivre, qu'elle ne sert à rien. Il considère que la philosophie est un loisir, c'est-à-dire une activité qui n’est pas faite pour un autre but qu'elle-même. En ce sens, la philosophie, comme la musique, le sport... peuvent être considérés comme des buts de notre existence, lui donnant un sens. Car si on ne peut philosopher pour vivre, on peut vivre pour philosopher. En effet, on vit plus pleinement quand on philosophe (ou quand on fait du sport) parce qu’à travers, on va développer nos propres capacités (physiques, sensibles, intellectuelles...). Selon Aristote, là est le secret du bonheur. La philosophie est essentielle car elle est inutile. En tant qu'Humains, nous avons des parties plus essentielles que d'autres, car elles nous permettent d’être plus heureux. En effet, la clé du bonheur se trouve dans la possibilité de développer notre nature. {{Bas de page | idfaculté = philosophie | précédent = [[../Un avis : Kant/]] | suivant = [[../Un avis : Descartes/]] }} 23pnnosjhu9422ldqdyybe5d9okd39z 0 22803 987965 558843 2026-11-01T07:50:07Z Surcouf01 81280 987965 wikitext text/x-wiki {{Chapitre | idfaculté = philosophie | numéro = 5 | précédent = [[../Un avis : Aristote/]] | suivant = [[../Un avis : Platon/]] | niveau = 13 }} Dans [[Présentation de la philosophie/Annexe/Texte de Descartes|ce texte]], [[w:René_Descartes|Descartes]] montre l’intérêt de la philosophie en se plaçant au niveau historique, au niveau des sociétés. Il va montrer l'impact indirect de la philosophie pour chacun d'entre nous : plus une société permet la philosophie, plus elle se développe culturellement et s'éloigne de la bêtise, de la barbarie. Pourquoi ? Car la philosophie est une démarche intellectuelle à partir de laquelle les autres savoirs vont souvent se développer. Il y a donc un apport indirect de la philosophie, dans des domaines très divers (médecine, physique, technique...) Mais [[w:René_Descartes|Descartes]] est convaincu qu’il est encore plus profitable de philosopher soi-même. Il utilise la comparaison entre philosophie et vision, où la philosophie nous ouvrirait les yeux, où nous verrions les choses telles qu’elles sont. Grâce à cela, nous pouvons nous orienter dans le monde; en connaissance des choses, nous saurons toujours comment agir. L'idéal est de ne pas être guidé par un autre mais de philosopher soi-même, c’est se donner une liberté supplémentaire. [[w:René_Descartes|Descartes]] dit aussi que la philosophie correspond à notre nature, et c’est pour cela qu'elle nous rend heureux (comme nous sommes heureux de voir la beauté des choses). À la différence des animaux, l'homme est fait pour penser, il ne peut donc se contenter de vivre pour son corps, et doit vivre pour son esprit. {{Bas de page | idfaculté = philosophie | précédent = [[../Un avis : Aristote/]] | suivant = [[../Un avis : Platon/]] }} gjb8uhnqahky3ppibb5p1j2eu7bl5d5 0 22809 987966 968950 2026-11-01T07:50:30Z Surcouf01 81280 987966 wikitext text/x-wiki {{Chapitre | idfaculté = philosophie | numéro = 6 | précédent = [[../Un avis : Descartes/]] | suivant = [[../Conclusion/]] | niveau = 13 }} Dans son [[Présentation de la philosophie/Annexe/Texte de Platon|texte]], [[w:Platon|Platon]] présente la philosophie comme un désir de connaissance, et deux types d'êtres ne peuvent désirer la connaissance et donc philosopher : * Les dieux (en philosophie, dieu est le concept d'un être parfait, ce n’est pas le(s) Dieu(x) que l’on désigne dans les religions) qui ne peuvent manquer de rien. Êtres omniscients, ils ne peuvent donc désirer la connaissance qu’ils ont déjà. Ils ne philosophent donc pas. * Les ignorants, qui n'ont pas conscience de leur ignorance. Quand on croit connaître les choses ou quand on croit que cela suffit, on ne peut pas désirer chercher à savoir plus, on ne peut donc pas philosopher. Mais alors, qui peut philosopher ? Ce sont ceux qui sont situés entre les deux, ceux qui ont conscience de leur ignorance. Ils sont forcément ignorants, mais pas au point d'ignorer leur ignorance. (« Je sais que je ne sais rien. »). L'Amour dont parle Platon naît de la beauté de l’objet désiré, c'est-à-dire la connaissance, la vérité, bien... {{Bas de page | idfaculté = philosophie | précédent = [[../Un avis : Descartes/]] | suivant = [[../Conclusion/]] }} 3w858bsdccy9wftzsdqrsw8upzh759m 0 23796 987967 677335 2026-11-01T07:51:20Z Surcouf01 81280 987967 wikitext text/x-wiki {{Chapitre | idfaculté = philosophie | numéro = 7 | précédent = [[../Un avis : Platon/]] | suivant = | niveau = 13 }} == Principaux obstacles à la démarche philosophique == * Le manque d'ouverture d'esprit ; * la présence de préjugés, on aborde la réalité avec le sens commun ; * le manque de curiosité, d'étonnement. [[w:Aristote|Aristote]] dit que c’est « l'étonnement qui poussa, comme aujourd'hui, les premiers penseurs aux réflexions/spéculations philosophiques. » Il faut savoir s'étonner devant les choses, reconnaître son ignorance et désirer savoir. Étymologiquement, philosophie est composée des termes grecs ''philia'' (désirer, aimer) et ''sophia'' (sagesse, vérité), c’est donc un désir pour la connaissance. Mais l'absence de préjugés, tout comme l'étonnement, ne peut s'apprendre, c’est un problème. == La Philosophie : une science ? == Comment définit-on une science ? Soit par son objet, soit par sa méthode. Par exemple, l’objet de l'Histoire est le passé des sociétés humaines. Quel est l’objet de la philosophie ? Les concepts, qui existent concrètement dans une définition. La philosophie cherche à créer des concepts, à dire ce que sont les choses. Mais il n'y a pas besoin de philosophie pour créer un concept. Alors à quoi sert-elle ? Dans le cas d'un paradoxe (de ''para-'' contre, et ''doxa'' opinion commune), la philosophie nous est utile. [[w:Augustin_d'Hippone|Saint Augustin]] par exemple, montre le paradoxe du temps. Nous avons tous le concept du temps, tout le monde sait de quoi on parle si l’on dit qu'on a plus le temps de faire ceci ou cela. Mais lorsque l’on demande de définir ce qu'est le temps, personne ne peut le faire. C'est un paradoxe, où l’on sait sans savoir. La philosophie sert donc à préciser nos concepts. Mais dans ce cas, un dictionnaire ne suffit-il pas ? Non, car le dictionnaire donne l'usage d'un mot dans une société et à une époque données et non la définition. C'est l'opinion commune qu'on y trouve, et c’est précisément ce que l’on cherche à dépasser en philosophant, on cherche à s'éloigner de la relativité des jugements pour s'attacher à l'être même des choses. C'est là que résident l'objectivité, la vérité, l'universalité... Si la littérature est un voyage chez l'autre, la philosophie est un voyage en nous-même, car les idées qui sont exposées par les philosophes auraient pu être les vôtres, car certaines idées sont déjà en nous, mais nous en avons une conscience plus ou moins claire. Malgré l'opinion commune donnant l'image d'une philosophie obscure, c’est en philosophant qu'on s'éclaircit les idées. {{Bas de page | idfaculté = philosophie | précédent = [[../Un avis : Platon/]] | suivant = }} 2vlf68hkq2wixur98foz1drg6fm6pff 0 87363 987973 987121 2026-11-01T10:41:51Z Phl7605 31541 987973 wikitext text/x-wiki {{Chapitre | idfaculté = physique | numéro = 9 | niveau = 14 | précédent = [[../Loi du moment cinétique : Pendule pesant 1ère partie/]] | suivant = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Énergie cinétique du solide en rotation/]] }} <center>Nous nous plaçons, dans ce chapitre, dans le cadre de la dynamique newtonienne, <br>l'espace physique considéré étant <math>\,\big(</math>sauf avis contraire<math>\big)\,</math> « orienté à droite » <ref name="orienté à droite"> Voir l'« introduction du paragraphe [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Produit_vectoriel_de_deux_vecteurs|produit vectoriel de deux vecteurs]] (pour la signification d'espace orienté à droite) » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>.</center> == Réalisation expérimentale du portrait de phase d’un pendule pesant (non amorti à un degré de liberté), mise en évidence d’un amortissement (correspondant à une diminution d’« énergie mécanique ») == === Description du dispositif expérimental === [[File:Pendule pesant - dispositif pour diagramme horaire de position.png|thumb|500px|left|Dispositif expérimental de détermination du diagramme horaire de position angulaire d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] dont l'axe de rotation est solidaire d'un potentiomètre <math>10</math> tours]] {{Al|5}}Bien que nous souhaitons étudier un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A."> Pendule Pesant Non Amorti.</ref>, les frottements fluide <math>\,\big(</math>et solide<math>\big)\,</math> ne peuvent jamais être totalement éliminés, ils ne peuvent qu'être réduits, la réduction sera considérée comme satisfaisante pour un mouvement {{Nobr|pendulaire <ref name="pendulaire"> Adjectif synonyme d'« oscillatoire ».</ref>}} si les oscillations se maintiennent pendant une « durée suffisamment grande devant la période » <ref name="durée grande devant période"> Il est souhaitable de pouvoir observer, sans amortissement notable, au moins une cinquantaine d’oscillations.</ref> ; {{Al|5}}nous pouvons utiliser le [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]], schématisé ci-contre, composé des pièces suivantes : * une tige cylindrique, de C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> <math>\,G_t</math>, de masse <math>\,m_t</math>, de longueur <math>\,\mathit{l}_t\,</math> et de rayon <math>\,R_t</math>, pouvant être fixée en <math>\,O\,</math> sur un axe horizontal de rotation <math>\,\big(</math>l’axe du potentiomètre décrit ci-après<math>\big)</math>, * un cylindre métallique, de C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G_c</math>, de masse <math>\,m_c</math>, de longueur <math>\,\mathit{l}_c</math>, de rayon extérieur <math>\,R_2\,</math> et de rayon intérieur <math>\,R_1</math>, dont l'axe est confondu avec l'axe de la tige et que nous pouvons déplacer sur cette dernière pour modifier la position du C.D.I. <ref name="C.D.I." /> global et du moment d’inertie du pendule relativement à l’axe de rotation, * un potentiomètre bobiné <math>\,10\,</math> tours de <math>\,10\; k \Omega</math> <math>\,\big(</math>voir ci-dessous à gauche<math>\big)</math>, d’axe servant d’axe de rotation au pendule ; <br>{{Al|3}}le potentiomètre est alimenté symétriquement à l'aide d'une A.S. <ref name="A.S."> Alimentation Stabilisée <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_(PCSI)/Circuits_électriques_dans_l'ARQS_:_dipôles_linéaires#Notion_d'alimentation_stabilisée_(A.S.)|notion d'alimentation stabilisée (A.S.)]] » du chap.<math>22</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_(PCSI)|Signaux physiques (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> entre <math>\,+12\; V\,</math> et <math>\,-12\; V</math>, la position angulaire du pendule étant alors <math>\,\propto\,</math> à la tension «<math>\;u(t)\;</math>» entre le curseur du potentiomètre et la masse de l’alimentation ; <br>{{Al|3}}lorsque le pendule est au repos, le curseur est placé approximativement à mi-course et le support du potentiomètre est tourné de manière à obtenir une tension à l’équilibre «<math>\;u_{\text{éq}}\;</math>» inférieure à <math>\,10\; mV\;</math><ref name="réglage du zéro"> De façon à ce que nous puissions assimiler la valeur de <math>\,u_{\text{éq}}\,</math> à <math>\,0</math>.</ref>, l’échelle de tension est alors de {{Nobr|«<math>\;300\; mV\,</math>}} pour <math>\,45\; \text{°}\;</math>» <math>\,\Big\{</math>en effet <math>\,24\; V\,</math> aux bornes des <math>\,10\,</math> tours de potentiomètre donne <math>\,2,4\; V\,</math> par tour et <math>\,0,3\; V\,</math> pour <math>\,\dfrac{1}{8}\,</math> de tour correspondant à une élongation angulaire de <math>\,\dfrac{\pi}{4}\;rad = 45\;\text{°}\Big\}</math> ; [[File:Centrale-d'acquisition-sysam-sp5.jpg|thumb|330px|Centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 pilotée par interface [[w:Python_(langage)|python]]]] [[File:Potentiomètre 10-tours 10k.png|thumb|450px|left|Exemple de potentiomètre <math>\,10\,</math> tours de <math>\,10\;k \Omega</math>]] {{Al|5}}l'acquisition de la tension peut être faite avec la « centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 » <math>\,\big(</math>ci-contre à droite<math>\big)\,</math> pilotée par interface « [[w:Python_(langage)|python]] », voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Utilisation_de_la_centrale_de_conversion_Eurosmart_SysamSP5_pilotée_par_l’interface_python|utilisation de la centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 pilotée par l'interface python]] » plus bas dans ce chapitre. {{Al|5}}<u>Remarque</u> : on pourrait utiliser une autre interface mais le potentiomètre devrait être adapté, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}par exemple pour l’interface « Orphy-GTI » avec sa prise <math>\,F\;</math><ref name="interface Orphy-GTI"> Voir la photo du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Utilisation_de_l’interface_«_ORPHY-GTI_»_associée_au_logiciel_«_Regressi_»|utilisation de l'interface “ORPHY-GTI” associée au logiciel “Regressi”]] » plus loin dans ce chapitre.</ref>, utiliser un potentiomètre monotour de <math>\,10\; k \Omega\;</math><ref name="potentiomètre monotour"> Voir un exemple de potentiomètre monotour <math>\,10\; k \Omega\,</math> dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Utilisation_de_l’interface_«_ORPHY-GTI_»_associée_au_logiciel_«_Regressi_»|utilisation de l'interface “ORPHY-GTI” associée au logiciel “Regressi”]] » plus loin dans le chapitre.</ref> en mettant en série avec lui deux autres conducteurs ohmiques additionnels de même résistance de <math>\,10\; k \Omega</math>, « la tension appliquée au potentiomètre étant alors de <math>\,8\; V\,</math>» <ref name="utilisation d'un potentiomètre monotour"> En effet <math>\,24\; V\,</math> aux bornes de <math>\,3\,</math> fois <math>\,10\; k \Omega\,</math> en montage potentiométrique donne <math>\,\big(</math>en sortie ouverte<math>\big)</math> <math>\,8\; V\,</math> aux bornes du potentiomètre, soit <math>\,8\; V\,</math> pour un tour et <math>\,1\; V\,</math> pour <math>\,\dfrac{1}{8}\,</math> de tour correspondant à une élongation angulaire de <math>\,\dfrac{\pi}{4}\;rad = 45\;\text{°}</math>.</ref>, l’échelle de tension est de «<math>\;1\; V\,</math> pour {{Nobr|<math>\;45\; \text{°}\;</math>» <ref name="utilisation d'un potentiomètre monotour" />,}} l’interface « Orphy-GTI » étant reliée à l’ordinateur par la prise « série <math>\,COM2\;</math>», voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Utilisation_de_l’interface_«_ORPHY-GTI_»_associée_au_logiciel_«_Regressi_»|utilisation de l'interface “ORPHY-GTI” associée au logiciel “Regressi”]] » plus loin dans le chapitre. <br><br> === Utilisation de la centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 pilotée par l’interface python === {{Al|5}}On réalise une acquisition de la tension <math>\,u(t)\,</math> avec une période d’échantillonnage de <math>\,10\; ms\,</math> et pendant une durée de <math>\,70\; s\;</math><ref name="acquisition d'une grandeur et utilisation par interface python"> L'acquisition de la grandeur par la centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 nécessite le chargement dans [[w:Python_(langage)|python]] du module « pycanum.main » <math>\,\big[</math>pour l'obtention et l'installation de ce dernier voir « http://www.f-legrand.fr/scidoc/docmml/sciphys/caneurosmart/interpy/interpy.html »<math>\big]</math>.</ref> <math>\,\big(</math>correspondant donc à <math>\,7000\,</math> valeurs captées <math>\Rightarrow</math> la durée d’acquisition est suffisamment grande pour observer un retour à l’équilibre du pendule<math>\big)\;</math><ref name="article original pour utilisation de la centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 pilotée par python"> Article original à l'adresse « http://www.f-legrand.fr/scidoc/docmml/sciphys/meca/exppendule/exppendule.html ».</ref>, le code [[w:Python_(langage)#Syntaxe|python]] permettant de faire l'acquisition est le suivant : import pycanum.main as pycan <br>import matplotlib.pyplot as plt <br> <br>import numpy <br>import math <br> <br>sys = pycan.Sysam("SP5") <ref> Des explications plus approfondies sur l'utilisation de ce module peuvent être trouvées à l'adresse « https://www.f-legrand.fr/scidoc/docmml/sciphys/caneurosmart/interpy/interpy.html ».</ref> <br>sys.config_entrees([0],[1]) <br>te=1e-2 # période d'échantillonnage <br>ne=7000 # nombre d'échantillons <br>duree=te*ne <br>sys.config_echantillon(te*10**6,ne) {{Al|10}}# période d'échantillonnage en µs <br>sys.acquerir() <br>t=sys.temps() <br>u=sys.entrees() <br>echelle = 0.6/(math.pi/2) {{Al|27}}# conversion tension->angle <br>angle=u[0]/echelle <br>temps=t[0] <br>numpy.savetxt("pendule-6.txt",[temps,angle]) <br>sys.fermer() <br>plt.figure(figsize=(18,6)) {{Al|27}}# taille en pouces 18,6 inch = 47,2 cm <br> <br>plt.plot(temps,angle) <br>plt.xlabel("t (s)") <br>plt.ylabel("theta (rad)") <br>plt.axis([0,duree,-math.pi/2,math.pi/2]) <br>plt.show() <ref> Visualise le diagramme horaire de position angulaire du P.P. mais celui-ci n'est pas représenté car ce dernier est observable plus loin avec une grille de fond.</ref> [[File:Pendule pesant amorti - diagramme horaire de position angulaire.png|thumb|450px|Diagramme horaire de position angulaire d'un P.P.A. <ref name="P.P.A."> Pendule Pesant Amorti.</ref> écarté de sa position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable"> Correspondant à <math>\,G\,</math> sur la verticale de <math>\,O\,</math> et au-dessous.</ref> et lâché sans vitesse initiale, obtenu par centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 pilotée par l’interface [[w:Python_(langage)|python]]]] [[File:Pendule pesant amorti - diagramme horaire de vitesse angulaire bruité.png|thumb|450px|Diagramme horaire de vitesse angulaire d'un P.P.A. <ref name="P.P.A." /> écarté de sa position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable" /> et lâché sans vitesse initiale, obtenu par filtre dérivateur du signal échantillonné bruité acquis par centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 pilotée par l’interface [[w:Python_(langage)|python]]]] <br>{{Al|5}}puis on trace le diagramme horaire de l’élongation angulaire <ref name="tracé d'une courbe par interface python"> Le tracé d'une courbe nécessite le chargement du module « pyplot » de la bibliothèque « [[w:Matplotlib|mathplotlib]] » dans [[w:Python_(langage)|python]], il est aussi nécessaire de faire le chargement des modules « numpy » <math>\,\big[</math>pour faire du calcul scientifique voir « [[w:Numpy|numpy]] »<math>\big]</math>, « scipy » <math>\,\big[</math>unifie des bibliothèques de [[w:Python_(langage)|python]], utilise entre autres les tableaux et matrices du module [[w:Numpy|numpy]] voir « [[w:Scipy|scipy]] »<math>\big]\,</math> et « math » <math>\,\big[</math>permettant d'utiliser les fonctions élémentaires comme cosinus, sinus, racine carrée et d'autres ainsi que la valeur de <math>\pi\big]</math>.</ref>, le code [[w:Python_(langage)#Syntaxe|python]] pour obtenir le tracé ci-contre est ci-dessous from matplotlib.pyplot import * {{Al|10}}# importe tous les noms du module sauf ceux commençant par "_" <br>import numpy as np <br>import math <br>import scipy.signal <br> <br>[temps,angle] = np.loadtxt("pendule-6.txt") <br>figure(figsize=(10,6)) {{Al|24}}# taille en pouces 10,6 inch = 26,9 cm <br>plot(temps,angle) <br>xlabel("t (s)") <br>ylabel("theta (rad") <br>axis([0,70,-2,2]) <br>grid() {{Al|48}}# ajoute une grille de fond sur la figure <br>{{Al|5}}ensuite l'objectif est d'en déduire le diagramme horaire de vitesse angulaire du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> par dérivation du signal échantillonné, ce qui se fait par simulation de filtre dérivateur «<math>\;x \mapsto y\;\text{:}\;y_n = \dfrac{x_n - x_{n - 1}}{T_e}\;</math>» avec «<math>\;T_e\,</math> la période d’échantillonnage » mais le signal obtenu étant « très bruité » <ref name="rôle d'un filtre dérivateur sur le bruit"> Le filtre dérivateur accentuant le bruit du signal d’entrée.</ref> il faudrait effectuer une simulation de filtre passe-bas <ref name="but d'un filtre passe-bas"> Le signal échantillonné pouvant être reconstitué à l'aide des 1^ers harmoniques et le bruit étant essentiellement de haute fréquence, un filtre passe-bas permet donc de l'éliminer sans pour autant altérer le signal échantillonné.</ref> avant de dériver, le code [[w:Python_(langage)#Syntaxe|python]] pour dériver puis tracer le diagramme horaire de vitesse angulaire sans élimination préalable du bruit est ci-dessous avec le tracé ci-contre <br>a=[te] {{Al|34}}# dénominateur du quotient définissant le filtre dérivateur <br>b=[1,-1] {{Al|31}}# le 1^er et 2^nd cœfficients de la somme du numérateur du quotient définissant le filtre dérivateur <br>omega = scipy.signal.lfilter(b,a,angle) <br>figure(figsize=(10,6)) {{Al|10}}# taille en pouces 10,6 inch = 26,9 cm <br>plot(temps,omega) <br>xlabel("t (s)") <br>ylabel("omega (rad/s") <br>axis([0,70,-10,10]) <br>grid() {{Al|34}}# ajoute une grille de fond sur la figure <br>{{Al|5}}on y voit nettement la nécessité de filtrer le signal échantillonné avant de dériver, ce qu'on va exposer ci-dessous : {{Al|5}}on réalise donc une simulation de filtre passe-bas en utilisant un « [[w:Filtre_à_réponse_impulsionnelle_finie|filtre à R.I.F.]] <ref name="R.I.F."> Réponse Impulsionnelle Finie.</ref> » qui est basée sur une réponse C.L. <ref name="C.L."> Combinaison Linéaire.</ref> d’un nombre fini de valeurs du signal d’entrée selon «<math>\;y_n = \!\!\sum\limits_{k\, \in\, \left[\left[ -P \,,\, P \right]\right]} b_k\; x_{n - k}\;</math>», les <math>\,2\;P + 1\,</math> cœfficients «<math>\;b_k\;</math>» étant des constantes réelles « définissant le filtrage » <ref> Par exemple <math>\,b_0 = 1\,</math> et <math>\,b_k = 0\;\;\forall\, k\,\in\,\left[\left[ -P \,,\, P \right]\right] \backslash \left\lbrace 0 \right\rbrace\,</math> définit un passe-tout <math>\;\ldots</math> <br>{{Al|3}}toutefois une étude plus détaillée étant hors programme de physique de P.C.S.I. nous traiterons la suite en « boîte noire » en précisant simplement le rang <math>\,P\,</math> de la troncature de la [[w:Réponse_impulsionnelle|réponse impulsionnelle]] ainsi que la fréquence de coupure <math>\,f_c\,</math> du filtre passe-bas simulé relativement à la fréquence d'échantillonnage <math>\,f_e</math> <math>\,\big[</math>ici égale à <math>\,100\;Hz\big]</math> <math>\;\ldots</math></ref>{{,}} <ref> Un filtre passe-bas est aisément simulé par un « [[w:Filtre_à_réponse_impulsionnelle_finie|filtre à R.I.F.]] <math>\,\big(</math>filtre à réponse impulsionnelle finie<math>\big)\,</math>» dans la mesure où la fréquence du signal <math>\,f</math> <math>\,\big[</math>ici de l'ordre de <math>\,1\;Hz\big]\,</math> est petite devant la fréquence d'échantillonnage <math>\,f_e</math> <math>\,\big[</math>ici égale à <math>\,100\;Hz\big]</math> ; <br>{{Al|3}}l'inconvénient de l'utilisation d'un « [[w:Filtre_à_réponse_impulsionnelle_finie|filtre à R.I.F.]] <math>\,\big(</math>filtre à réponse impulsionnelle finie<math>\big)\;</math>» est que cette méthode élimine les <math>\,P\,</math> 1^ers points ainsi que les <math>\,P\,</math> derniers, ce qui nécessite que <math>\,P\,</math> soit petit devant le nombre total <math>\,n_e\,</math> de points, <math>\,P\,</math> devant être aussi suffisamment grand pour que le filtre passe-bas simulé soit sélectif <math>\,\big\{n_e\,</math> étant égal à <math>\,7000</math>, choisir <math>\,P\,</math> de l'ordre de <math>\,10\,</math> ou plus devrait {{Nobr|convenir<math>\big\}</math>.}}</ref>, le code [[w:Python_(langage)#Syntaxe|python]] pour réaliser ce filtrage passe-bas étant ci-dessous avec le tracé ci-contre du diagramme horaire de position filtrée en rouge superposé à celui du diagramme horaire de position bruitée en bleu sur l'intervalle <math>\,\left[ 50\;s\;;\;60\;s \right]</math> : [[File:Pendule pesant amorti - diagramme horaire de position angulaire - bis.png|thumb|450px|Superposition des diagrammes horaires de position angulaire bruitée (en bleu) et filtrée (en rouge) d'un P.P.A. <ref name="P.P.A." /> écarté de sa position d'équilibre {{Nobr|stable <ref name="équilibre stable" />}} et lâché sans vitesse initiale, obtenu par centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 pilotée par l’interface [[w:Python_(langage)|python]], les tracés étant localisés vers la fin des oscillations]] <br>P=20 {{Al|14}}# un rang de troncature de P = 20 petit devant ne = 7000 mais suffisamment grand pour que le filtre soit sélectif <ref> Pour obtenir la k^ème position filtrée on utilise <math>\,2\;P + 1 = 41\,</math> valeurs de son voisinage.</ref> <br>fc=0.05 {{Al|10}}# une fréquence de coupure de 0,05 Hz suffisamment petite pour éliminer le maximum de bruit sans altérer le signal <br> <br>h = scipy.signal.firwin(numtaps=2*P+1,cutoff=[fc],nyq=0.5,window='hamming') {{Al|10}}# utilise le module « [[w:Filtre_à_réponse_impulsionnelle_finie|filtre à R.I.F.]] <ref name="R.I.F." /> » <ref name="paramètres du module scipy.signal.firwin"> Le 1^er paramètre du module « scipy.signal.firwin » est le nombre de cœfficients de la C.L. définissant le filtre, <br>{{Al|3}}le 2^nd {{Transparent|paramètre du module « scipy.signal.firwin » est }}la fréquence de coupure <math>\,\big\{</math>encadrée ou non par des crochets<math>\big\}</math>, <br>{{Al|3}}le 3^ème <math>\,\big(</math>optionnel<math>\big)\,</math> {{Al|1}}{{Transparent|paramètre du module « scipy » }} la [[w:Fréquence_de_Nyquist|fréquence Nyquist]] <math>\,\big[</math>c.-à-d. la fréquence maximale que doit contenir un signal pour permettre sa description non ambigüe par un échantillonnage à intervalles réguliers<math>\big]\,</math> et <br>{{Al|3}}le 4^ème {{Al|3}}{{Transparent|paramètre du module « scipy.signal.firwin » }}la [[w:Fenêtrage|fenêtre]] utilisée {{Nobr|<math>\,\bigg[</math>c.-à-d.}} la fonction par laquelle le signal observé est multiplié pour le limiter sur une durée finie, on utilise ici une fenêtre de Hamming d'équation <math>\,h(t) = \left\lbrace \begin{array}{l} 0,54 - 0,46\;\cos\! \left( 2\;\pi\;\dfrac{t}{T} \right) & \text{ si } t\, \in\, \left[0 \,,\,T \right] \\ 0 & \text{ sinon} \end{array}\right.\bigg]</math> ; <br>{{Al|3}}'''[[w:Harry_Nyquist|Harry Nyquist]] (1889 - 1976)''' physicien d'origine suédoise ayant pris la nationalité américaine (étatsunienne), l'un des principaux contributeurs de la [[w:Théorie_de_l'information|théorie de l'information]] et de l'[[w:Automatique|automatique]], on lui doit le [[w:Diagramme_de_Nyquist|diagramme de Nyquist]] ainsi que le [[w:Théorème_d'échantillonnage|théorème d'échantillonnage de Nyquist-Shannon]] ;<br>{{Al|3}}'''[[w:Claude_Shannon|Claude Elwood Shannon]] (1916 - 2001)''' ingénieur en génie électrique et mathématicien américain, considéré comme l'un des fondateurs de la [[w:Théorie_de_l'information|théorie de l'information]] ; <br>{{Al|3}}'''[[w:Richard_Hamming|Richard Wesley Hamming]] (1915 - 1998)''' mathématicien américain à qui on doit les [[w:Code_de_Hamming|codes de Hamming]] permettant la détection et la correction automatique d'une erreur si elle ne porte que sur une lettre du message ainsi que la [[w:Distance_de_Hamming|distance de Hamming]] qui joue un rôle important en théorie algébrique des codes correcteurs <math>\,\big(</math>sur deux suites de symboles de même longueur, elle associe le nombre de positions où les deux suites diffèrent<math>\big)</math>.</ref> <br>y = scipy.signal.convolve(angle,h,mode='valid') {{Al|59}}# réalise le filtrage par [[w:Produit_de_convolution|convolution]] <ref name="produit de convolution"> Le produit de convolution de deux suites réelles <math>\,\big(</math>ou complexes<math>\big)</math> <math>\,u_p,\;\;p\;\in\;\mathbb{Z}\,</math> et <math>\,v_q,\;\;q\;\in\;\mathbb{Z}</math>, est une autre suite, qui se note généralement «<math>\;(u * v)_n,\;\;n\;\in\;\mathbb{Z}\;</math>» et qui est définie par <center><math>\,\left( u * v \right)_n = \sum\limits_{m = -\infty}^{+\infty} u_{n - m} \times v_m = \sum\limits_{m = -\infty}^{+\infty} u_m \times v_{n - m}</math> ;</center> {{Al|3}}le produit de convolution de deux fonctions réelles <math>\,\big(</math>ou complexes<math>\big)\,</math> d'une variable réelle <math>\,\big(</math>ou complexe<math>\big)</math> <math>\,f\,</math> et <math>\,g</math>, est une autre fonction, qui se note généralement «<math>\;f * g\;</math>» et qui est définie par <center><math>\;\left( f * g \right)(x) = \displaystyle\int_{-\infty}^{+\infty} f\! \left( x - t \right) \;g(t) \; dt = \displaystyle\int_{-\infty}^{+\infty} f(t) \;g\! \left( x - t \right) \; dt</math> <br>voir les « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrales_généralisées_(ou_impropres)#Intégrale_généralisée_d'une_fonction_continue_par_morceaux_sur_un_intervalle_ouvert_dont_au_moins_une_des_bornes_est_infinie|intégrales généralisées d'une fonction continue par morceaux sur un intervalle ouvert dont au moins une des bornes est infinie]] » <br>du chap.<math>18</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</center></ref> du signal <br>{{Al|137}}θ par le filtre passe-bas simulé <br> <br>ny = y.size {{Al|31}}# définit le nombre de points de la liste « y » du signal filtré <br>ty = np.zeros(ny) {{Al|21}}# définit une liste « ty » contenant ny zéros <br>for k in range(ny): {{Al|20}}# remplace chaque zéro de la liste « ty » par l'instant … <br>{{Al|5}}ty[k] = P*te+te*k <ref> Le « [[w:Filtre_à_réponse_impulsionnelle_finie|filtre à R.I.F.]] » éliminant les les <math>\,P\,</math> 1^ers points ainsi que les <math>\,P\,</math> derniers, il faut calculer une nouvelle liste de temps avant d'effectuer le tracé, afin d'annuler le décalage entre le signal d'entrée et de sortie du filtre, cette liste débute donc à l'instant <math>\,P\;T_e</math>.</ref> {{Al|11}}# … correspondant à la valeur de même rang dans la liste « y » <br> <br>figure(figsize=(10,6)) {{Al|14}}# taille en pouces 10,6 inch = 26,9 cm <br>plot(temps,angle,"b") {{Al|14}}# tracé du diagramme horaire de position bruitée en bleu <br>plot(ty,y,"r") {{Al|29}}# tracé du diagramme horaire de position filtrée en rouge <br>xlabel("t (s)") <br>ylabel("theta (rad)") <br>axis([50,60,-0.3,0.3]) <br>grid() {{Al|38}}# ajoute une grille de fond sur la figure [[File:Pendule pesant amorti - diagramme horaire de vitesse angulaire sans bruit.png|thumb|450px|Diagramme horaire de vitesse angulaire d'un P.P.A. <ref name="P.P.A." /> écarté de sa position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable" /> et lâché sans vitesse initiale, obtenu par filtre dérivateur du signal échantillonné acquis par centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 pilotée par l’interface [[w:Python_(langage)|python]] puis débarrassé du bruit par filtrage passe-bas]] <br>{{Al|5}}ensuite on obtient le diagramme horaire de vitesse angulaire du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> par dérivation du signal échantillonné filtré, ce qui se fait par simulation de filtre dérivateur «<math>\;x \mapsto y\;\text{:}\;y_n = \dfrac{x_n - x_{n - 1}}{T_e}\;</math>» avec «<math>\;T_e\,</math> la période d’échantillonnage », le code [[w:Python_(langage)#Syntaxe|python]]n pour dériver le signal échantillonné débarrassé du bruit puis tracer le diagramme horaire de vitesse angulaire correspondant est ci-dessous avec le tracé ci-contre a=[te] {{Al|34}}# dénominateur du quotient définissant le filtre dérivateur <br>b=[1,-1] {{Al|31}}# le 1^er et 2^nd cœfficients de la somme du numérateur du quotient définissant le filtre dérivateur <br>omega = scipy.signal.lfilter(b,a,y) <br>figure(figsize=(10,6)) {{Al|10}}# taille en pouces 10,6 inch = 26,9 cm <br>plot(ty,omega) <br>xlabel("t (s)") <br>ylabel("omega (rad/s)") <br>axis([0,70,-10,10]) <br>grid() {{Al|34}}# ajoute une grille de fond sur la figure {{clr}} [[File:Pendule pesant amorti - portrait de phase avec élimination du bruit.png|thumb|450px|[[w:Portrait_de_phase|Pportrait de phase]] d'un P.P.A. <ref name="P.P.A." /> écarté de sa position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable" /> et lâché sans vitesse initiale, obtenu par centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 pilotée par l’interface [[w:Python_(langage)|python]], avec élimination du bruit sur l'élongation angulaire par filtrage passe-bas et obtention de la vitesse angulaire par filtrage dérivateur]] {{Al|5}}enfin souhaitant tracer le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à partir de son point de lancement, on élimine les 1^ères valeurs des listes de temps «<math>\;ty\;</math>», de positions angulaires «<math>\;y\;</math>» et de vitesses angulaires «<math>\;\text{omega}\;</math>» susceptibles de correspondre à un enregistrement antérieur au lancement <math>\,\big(</math>celle de vitesses angulaires étant divisée par <math>\,2\;\pi\,</math> de façon à ce que ces dernières soient exprimées en <math>\,\text{tour} \cdot s^{-1}\big)</math>, le code [[w:Python_(langage)#Syntaxe|python]] pour ces transformations et le tracé du [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est ci-dessous avec le tracé ci-contre debut = int(1.0/te) {{Al|30}}# retourne un entier à partir de 1.0/te <br>y = np.delete(y,range(debut)) {{Al|12}}# supprime les éléments de la liste « y » de rang dans l'intervalle [ 0, int(1.0/te) [ des entiers <br>{{Al|62}}naturels <br>ty = np.delete(ty,range(debut)) {{Al|10}}# supprime les éléments de la liste « ty » de rang dans l'intervalle [ 0, int(1.0/te) [ des entiers <br>{{Al|62}}naturels <br>omega = np.delete(omega,range(debut))/(2*math.pi) {{Al|10}}# supprime les éléments de la liste « omega » de rang dans l'intervalle <br>{{Al|97}} [ 0, int(1.0/te) [ des entiers naturels puis divise par 2*π <br>figure(figsize=(6,6)) {{Al|27}}# taille en pouces 6,6 inch = 16,7 cm <br>plot(y,omega) <br>axis([-math.pi/2,math.pi/2,-math.pi/2,math.pi/2]) <br>xlabel("theta") <br>ylabel("omega") <br>grid() {{Al|50}}# ajoute une grille de fond sur la figure <br>{{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut aisément imaginer les allures des différents diagrammes et [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] d'un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à partir de celles du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> obtenues ci-dessus, l'absence d'amortissement se manifestant par une amplitude de l'élongation angulaire et de la vitesse angulaire constante et par un [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] fermé sur lui-même <math>\;\ldots</math> === Utilisation de l’interface « ORPHY-GTI » associée au logiciel « Regressi » === [[File:Potentiomètre-monotour-10k - bis.png|thumb|230px|Exemple de potentiomètre monotour de <math>\;10\;k \Omega</math>]] {{Al|5}}Le programme de physique de P.C.S.I. impose d’obtenir le diagramme horaire d’élongation angulaire, la variation de la période avec l’amplitude et d’étudier les frottements solide puis fluide d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] « sans aborder le tracé du [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] » en utilisant le logiciel « Regressi » <ref name="Regressi"> Le logiciel peut être téléchargé gratuitement à l'adresse « http://regressi.fr/WordPress/download/ », son utilisation peut être facilitée grâce aux quelques lignes trouvées à l'adresse suivante « https://physique.ensc-rennes.fr/pdf/1annee/notice_resume_regressi.pdf » <math>\;\ldots</math></ref>{{,}} <ref> Toutefois le calcul par « Regressi » de la vitesse angulaire à partir de l’élongation angulaire ne présentant aucune difficulté, le tracé du [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] en découle facilement.</ref> ; ci-après est proposée [[File:Interface orphy-gti.jpg|thumb|left|350px|Interface ORPHY-GTI à associer au logiciel Regressi]] {{Al|5}}une 1^ère manipulation avec utilisation de l’interface « ORPHY-GTI » <math>\;\big(</math>voir ci-contre à gauche<math>\big)\;</math> associée au logiciel « Regressi » <ref name="Regressi" /> <math>\;\big[</math>on peut utiliser le dispositif du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant#Description_du_dispositif_expérimental|description du dispositif expérimental]] (remarque) » présenté plus haut dans ce chapitre, le potentiomètre utilisé devant être monotour <math>\;\big(</math>comme celui représenté ci-contre à droite<math>\big)\;</math> et le pendule étant du type « Pendulor » comme sur la photo ci-dessous à gauche <math>\;\big(</math>dans lequel on remarque un cylindre de plastique situé au-delà de <math>\;\Delta_O\;</math> permettant d'y fixer une plaque créant des frottements fluides<math>\big)\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|une 1^ère manipulation }}peut être visualisée à l'adresse « http://www.sciences.univ-nantes.fr/sites/jacques_charrier/tp/pendulor/index.html », nous n'en dirons rien de plus, les lecteurs intéressés pouvant aisément s'y référer <math>\;\big\{</math>il y est possible de visualiser les différentes étapes sans que le lancement d'une acquisition ne soit nécessaire <ref> Qui évidemment s'avérerait impossible sans matériel !</ref> mais en cliquant simplement sur les différents liens successifs<math>\}</math> <math>\;\ldots</math> <br> <br> <br> === Autre utilisation de la centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 associée aux logiciels « Synchronie 2003 » et « Regressi » === [[File:Pendulor.jpg|thumb|left|350px|Photo du dispositif « Pendulor » pour étudier le mouvement d'un P.P.A. <ref name="P.P.A." />]] {{Al|5}}Dans ce paragraphe est proposée une 2^nde manipulation utilisant la centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 <math>\,\big[</math>on peut utiliser le dispositif du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant#Description_du_dispositif_expérimental|description du dispositif expérimental]] » présenté plus haut dans ce chapitre, le potentiomètre utilisé devant être monotour <math>\,\big(</math>comme celui représenté dans le paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Utilisation_de_l'interface_«_ORPHY-GTI_»_associée_au_logiciel_«_Regressi_»|précédent]] ci-dessus à droite<math>\big)\,</math> et le pendule étant du type « Pendulor » comme sur la photo ci-contre à gauche <math>\,\big(</math>dans lequel on remarque un cylindre de plastique situé au-delà de <math>\,\Delta_O\,</math> permettant d'y fixer une plaque créant des frottements fluides, les éventuels frottements solides se manifestant au niveau de l'axe de rotation<math>\;\Delta_O\big)\big]</math>, la centrale Eurosmart SysamSP5 étant maintenant pilotée par « Synchronie 2003 » <ref name="Synchronie 2003"> Le logiciel « Synchronie 2003 », distribué par la société Eurosmart, est un logiciel d'acquisition et de traitement du signal, il a été remplacé en 2005 par le logiciel « Latis-pro » ; pour plus d’informations voir le site internet d’Eurosmart « http://www.eurosmart.fr/ ».</ref>{{,}} <ref name="article original pour utilisation de la centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 pilotée par Synchronie 2003"> On peut trouver l'article original sous forme de fichier « .doc » à l'adresse « http://bluestorm.dylc.free.fr/llg/tps2/tpp5-shu.doc », l'auteur « Claude Lebrun » proposant une étude beaucoup plus détaillée que celle que j'ai sélectionnée <math>\;\ldots</math></ref> et les calculs ainsi que les tracés effectués par le logiciel « Regressi » <ref name="Regressi" />. {{Al|5}}<math>\;\succ\;</math>Paramétrage du logiciel « Synchronie 2003 » <ref name="Synchronie 2003" /> et réglage du zéro <ref name ="réglage de Synchronie 2003"> Voir le fichier « http://www.scientillula.net/MPI/fr4_synchronie/fr4_synchron.html » pour régler les paramètres d'acquisition de « Synchronie 2003 ».</ref> : l'acquisition de la tension <math>\,u(t)\,</math> sera faite avec une période d’échantillonnage de <math>\,2,5\; ms\,</math> et pendant une durée de <math>\,2,5\; s</math> {{Nobr|<math>\,\big(</math>il}} y aura donc <math>\,1000\,</math> valeurs captées<math>\big)</math> <math>\,\big[</math>pour les acquisitions de la tension avec prise en compte des frottements solide ou fluide, la durée d'enregistrement sera augmentée à <math>\,12\; s\,</math> avec la même période d'échantillonnage, ce qui correspondra à <math>\,4800\,</math> valeurs captées, ceci dans le but de visualiser l'amortissement<math>\big]</math> ; le réglage du zéro est celui qui a été exposé dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant#Description_du_dispositif_expérimental|description du dispositif expérimental]] (on tourne le support du potentiomètre de façon à ce que la tension captée quand le pendule est à l'équilibre soit inférieure à 10 mV) <ref name="réglage du zéro" /> » plus haut dans ce chapitre et on vérifie, en lançant une acquisition de tension lorsque que le pendule est maintenu avec une élongation de <math>\,\dfrac{\pi}{2}\;rad = 90\,\text{°}</math> <math>\,\big(</math>on trouve <math>\,V1 \simeq 6,0\;V\big)\;</math><ref> On adaptera <math>\,V1\,</math> à la valeur effectivement trouvée.</ref>, l'échelle de correspondance «<math>\;3,00\; V\,</math> pour <math>\,45\; \text{°}\;</math>» <math>\,\Big\{</math>en effet <math>\,24\; V\,</math> pour un tour de potentiomètre donne <math>\,3\; V\,</math> pour <math>\,\dfrac{1}{8}\,</math> de tour correspondant à une élongation angulaire de <math>\,\dfrac{\pi}{4}\;rad = 45\;\text{°}\Big\}</math>. {{Al|5}}<math>\;\succ\;</math>Enregistrements des oscillations et sauvegarde de ces derniers : on lance successivement <math>\,2\,</math> acquisitions après avoir écarté le [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] de sa position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable" /> et l'avoir lâché sans vitesse initiale * la 1^ère correspondant à une grande amplitude <math>\,\big(</math>voisine de <math>\,60\;\text{°}\big)\,</math> avec frottements négligeables sur la durée de l'expérience <math>\,2,5\;s\,</math> et * la 2^nde {{Transparent|correspondant}}à une grande amplitude <math>\,\big(</math>voisine de <math>\,60\;\text{°}\big)\,</math> avec frottements solide et fluide non négligeables sur la durée de l'expérience {{Nobr|<math>\,12\;s</math>,}} puis {{Al|5}}<math>\;\color{transparent}{\succ}\;</math>{{Transparent|Enregistrements des oscillations et sauvegarde de ces derniers : }}on sauvegarde chaque enregistrement dans un fichier différent au format « .txt » en précisant les variables «<math>\;T\;</math>» <ref> « Synchronie 2003 » utilisant une majuscule pour la variable « temps » cela peut créer une confusion pour les mouvements périodiques mais il ne semble pas possible de faire le changement en restant dans le logiciel.</ref> et «<math>\;EAO\;</math>» <math>\,\big(</math>c.-à-d. la tension associée à l'élongation angulaire<math>\big)</math>. {{Al|5}}<math>\;\succ\;</math>Tracé des diagrammes horaires des positions angulaires à l'aide de « Regressi » <ref name="Regressi" /> : on peut alors ouvrir chaque fichier à l'aide de {{Nobr|« Regressi » <ref name="Regressi" />,}} on obtient un tableau donnant «<math>\;T\;</math>» et «<math>\;EAO\;</math>», on modifie alors «<math>\;T\;</math>» en «<math>\;t\;</math>» <ref> Pour que cesse une confusion possible avec la période des oscillations.</ref> et on crée la nouvelle variable «<math>\;\theta\;</math>» à partir <br>{{Al|98}}de «<math>\;EAO\;</math>» selon «<math>\;\theta = EAO \times \dfrac{90}{V1}\;</math>» <math>\,\big(\theta\;</math> étant l'élongation angulaire du pendule exprimée en <math>\,\text{°}\big)\;</math><ref> En effet la tension <math>\,V1\,</math> correspond à l'élongation angulaire <math>\,90\;\text{°}\,</math> d'où la formule <math>\;\ldots</math></ref> puis on enregistre chaque fichier modifié <br>{{Al|98}}au format « .rw3 ». [[File:Pendule pesant non amorti - diagramme horaire de position angulaire.png|thumb|450px|Diagramme horaire de position angulaire d'un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." />{{,}} <ref name="rendre N.A. le P.P."> Pour rendre les frottements fluides négligeables, d'une part, on ne fixe aucune plaque sur le cylindre de plastique situé au-delà de <math>\,\Delta_O\,</math> du dispositif « Pendulor » et d'autre part, la durée d'acquisition reste inférieure à celle de deux oscillations, les frottements solides quant à eux sont négligées sur cette durée d'expérience si la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur l'axe reste libre <math>\,\big(</math>en lubrifiant par exemple<math>\big)</math> <math>\;\ldots</math></ref> écarté de sa position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable" /> et lâché sans vitesse initiale, l'acquisition ayant été faite par centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 associée aux logiciels « Synchronie 2003 » <ref name="Synchronie 2003" /> et « Regressi » <ref name="Regressi" />]] [[File:Pendule pesant non amorti - portrait de phase.png|thumb|450px|[[w:Portrait_de_phase|Portrait de phase]] d'un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." />{{,}} <ref name="rendre N.A. le P.P." /> écarté de sa position d'équilibre {{Nobr|stable <ref name="équilibre stable" />}} et lâché sans vitesse initiale, l'acquisition ayant été faite par centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 associée aux logiciels « Synchronie {{Nobr|2003 » <ref name="Synchronie 2003" />}} et « Regressi » <ref name="Regressi" />]] [[File:Pendule pesant amorti - diagramme horaire de position angulaire - ter.png|thumb|450px|Diagramme horaire de position angulaire d'un P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="rendre A. le P.P."> Pour rendre les frottements fluides notables, d'une part, on fixe une plaque sur le cylindre de plastique situé au-delà de <math>\,\Delta_O\,</math> du dispositif « Pendulor » et d'autre part, la durée d'acquisition doit correspondre à au moins une dizaine de pseudo-oscillations, les frottements solides quant à eux étant négligées sur cette durée d'expérience si la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur l'axe reste libre <math>\,\big(</math>en lubrifiant par exemple<math>\big)</math> et devenant notables si la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur l'axe est plus serrée <math>\;\ldots</math> <br>{{Al|3}}Dans la suite nous supposerons la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur l'axe suffisamment libre pour négliger les frottements solides.</ref> écarté de sa position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable" /> et lâché sans vitesse initiale, l'acquisition, sur une durée permettant d'observer le début des pseudo-oscillations, ayant été faite par centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 associée aux logiciels « Synchronie 2003 » <ref name="Synchronie 2003" /> et « Regressi » <ref name="Regressi" />]] * <u>Diagramme horaire de position angulaire du P.P.N.A.</u> <ref name="P.P.N.A." />{{,}} <ref name="rendre N.A. le P.P." /> : ayant écarté le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." />{{,}} <ref name="rendre N.A. le P.P." /> de <math>\,\theta_0 \simeq +\dfrac{\pi}{3}\;rad \simeq 60\;\text{°}\,</math> de sa position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable" /> et l'ayant lâché sans vitesse initiale, nous lançons l'acquisition à l'aide de « Synchronie 2003 » <ref name="Synchronie 2003" /> sur une durée de <math>\,2,5\;s\,</math> après avoir déterminé l'échelle de conversion des tensions en angles en mesurant <math>\,V1 = 6,06\;V\,</math> <math>\Rightarrow</math> {{Nobr|«<math>\;\theta = EAO \times \dfrac{90}{6,06} \simeq 14,85\;EAO\;</math>»}} <math>\,\big(\theta\,</math> étant en <math>\,\text{°}\,</math> et <math>\,EAO\,</math> en <math>\,V\big)</math>, enregistrons l'acquisition dans un fichier nommé « PPNA_t_theta.txt », l'ouvrons dans « Regressi » <ref name="Regressi" />, le transformons comme indiqué ci-dessus et sauvons le résultat dans un fichier nommé « PPNA_t_theta.rw3 », le diagramme horaire de position angulaire du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." />{{,}} <ref name="rendre N.A. le P.P." /> obtenu par « Regressi » <ref name="Regressi" /> étant présenté ci-contre : <br>{{Al|3}}on y détermine une période de «<math>\;\mathcal{T} \simeq 1,50\;s\;</math>» avec une amplitude «<math>\;\theta_m \simeq 69,2\;\text{°}\;</math>» et bien que le tracé semble, à 1^ère vue, sinusoïdal, on pourrait vérifier qu'il ne l'est pas tout en restant périodique <ref> Le caractère non sinusoïdal s'observant plus aisément sur la dérivée temporelle que sur la fonction, on peut calculer la vitesse angulaire à l'aide de « Regressi » <math>\,\big[</math>dans le menu « Grandeurs » du fichier, après avoir sélectionné « Tableau », cliquer sur « ajouter (une colonne) » puis sélectionner « dérivée » en renseignant tout ce qui est demandé, une fois la colonne de vitesse angulaire établie allez dans le menu « Graphe » du fichier, sélectionnez le tracé de la vitesse angulaire en fonction du temps, puis cliquez sur « Modèles <math>\rightarrow</math> Autres <math>\rightarrow</math> Oscillations <math>\rightarrow</math> Sinusoïde », vous verrez alors la différence entre le diagramme horaire de la vitesse angulaire du P.P.N.A. <math>\,\big(</math>dont les différents points successifs ne sont pas reliés<math>\big)\,</math> et une sinusoïde <math>\,\big(</math>correspondant au modèle<math>\big)\,</math> plus nettement que dans le cas de son diagramme horaire de position angulaire <math>\;\ldots\big]</math>.</ref>{{,}} <ref name="comparaison expérience - résolution numérique"> Une idée de la différence a été vue dans le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Résolution_numérique_de_l'équation_différentielle_d'un_P.P.S._dans_les_C.I._«_1a_»_avec_tracé_des_diagrammes_horaires_de_position,_de_vitesse_et_du_portrait_de_phase_correspondant|résolution numérique de l'équation différentielle d'un P.P.S. dans les C.I. “1a” avec tracé des diagrammes horaire de position, de vitesse et du portrait de phase correspondant]] » du chap.<math>12</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] », les résultats étant indépendants du caractère « simple » du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]], toutefois l'observation expérimentale est moins prononcée que celle résultant de la résolution numérique <math>\;\ldots</math></ref>. * <u>Diagramme horaire de vitesse angulaire du P.P.N.A.</u> <ref name="P.P.N.A." />{{,}} <ref name="rendre N.A. le P.P." /> : ouvrant le fichier « PPNA_t_theta.rw3 » dans « Regressi » <ref name="Regressi" /> correspondant à l'acquisition des positions angulaires du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." />{{,}} <ref name="rendre N.A. le P.P." /> écarté de <math>\,\theta_0 \simeq +\dfrac{\pi}{3}\;rad \simeq 60\;\text{°}\,</math> de sa position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable" /> et lâché sans vitesse initiale, nous évaluons la vitesse angulaire par « Regressi » <ref name="Regressi" /> selon le mode opératoire décrit ci-après « dans le menu “Grandeurs” du fichier, sélectionner “Tableau”, cliquer sur “ajouter (une colonne)” puis sélectionner “dérivée” en renseignant tout ce qui est demandé, une fois la colonne de vitesse angulaire établie aller dans le menu “Graphe” du fichier, sélectionner le tracé de la vitesse angulaire en fonction du temps, on visualise alors le diagramme horaire de vitesse angulaire <math>\,\big(</math>sans que les différents points successifs ne soient reliés<math>\big)</math>, terminer en faisant la sauvegarde du fichier sous le nom “PPNA_t_theta_omega.rw3” » <math>\,\big[</math>tracé non fourni, il est légèrement triangularisé avec une amplitude <math>\simeq 230\,\text{°} \cdot s^{-1}\big]</math>. * <u>[[w:Portrait_de_phase|Portrait de phase]] du P.P.N.A.</u> <ref name="P.P.N.A." />{{,}} <ref name="rendre N.A. le P.P." /> : à partir du fichier « PPNA_t_theta_omega.rw3 » ouvert dans « Regressi » <ref name="Regressi" /> correspondant à l'acquisition des positions angulaires du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." />{{,}} <ref name="rendre N.A. le P.P." /> écarté de <math>\,\theta_0 \simeq +\dfrac{\pi}{3}\;rad \simeq 60\;\text{°}\,</math> de sa position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable" /> et lâché sans vitesse initiale, à laquelle a été ajoutée l'évaluation de la vitesse angulaire correspondant aux différents instants de l'acquisition, on trace le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." />{{,}} <ref name="rendre N.A. le P.P." /> selon le mode opératoire suivant « dans le menu “Graphe” du fichier, sélectionner l'élongation angulaire comme abscisse et la vitesse angulaire comme ordonnée », on obtient alors le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] ci-contre ; même si le tracé obtenu semble, à 1^ère vue, une ellipse, on pourrait vérifier qu'il n'en est rien, le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] restant néanmoins fermé <ref name="comparaison expérience - résolution numérique" />, ceci étant caractéristique d'un mouvement périodique <math>\;\ldots</math> <br> * <u>Diagramme horaire de position angulaire du P.P.A.</u> <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="rendre A. le P.P." /> : ayant écarté le P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="rendre A. le P.P." /> de <math>\,\theta_0 \simeq 10\;\text{°} \simeq +\dfrac{\pi}{18}\;rad \;</math><ref name="raison d'une faible élongation angulaire initiale"> On diminue l'élongation angulaire initiale pour que le [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti <math>\,\big(</math>par frottements fluides<math>\big)\,</math> soit assimilable à un oscillateur harmonique amorti et que la pseudo-amplitude d'oscillation <math>\,\searrow\,</math> de façon exponentielle.</ref> de sa position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable" /> et l'ayant lâché sans vitesse initiale, nous lançons l'acquisition à l'aide de « Synchronie 2003 » <ref name="Synchronie 2003" /> sur une durée de <math>\,12\;s</math>, après avoir vérifié que l'échelle de conversion des tensions en angles reste inchangée en mesurant <math>\,V1 = 6,06\;V\,</math> <math>\Rightarrow</math> {{Nobr|«<math>\;\theta = EAO \times \dfrac{90}{6,06} \simeq 14,85\;EAO\;</math>»}} <math>\,\big(\theta\,</math> étant en <math>\,\text{°}\,</math> et <math>\,EAO\,</math> en <math>\,V\big)</math>, enregistrons l'acquisition dans un fichier nommé « PPA_t_theta.txt », l'ouvrons dans « Regressi » <ref name="Regressi" />, le transformons comme indiqué ci-dessus et sauvons le résultat dans un fichier nommé « PPA_t_theta.rw3 », le diagramme horaire de position angulaire du P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="rendre A. le P.P." /> obtenu par « Regressi » <ref name="Regressi" /> étant présenté ci-contre : <br>{{Al|3}}on y détermine une pseudo-période de «<math>\;\mathcal{T} \simeq 1,49\;s\;</math>» avec une amplitude de la 1^ère pseudo-oscillation «<math>\;\theta_{m,\,1} \simeq 10,1\;\text{°}\;</math>», la <math>\,\searrow\,</math> de la pseudo-amplitude étant exponentielle <ref> En fait pour vérifier qu'elle est effectivement exponentielle il faudrait <math>\,\nearrow\,</math> le nombre de pseudo-oscillations, n'observant que le début de la <math>\,\searrow\,</math> elle se confond avec une <math>\,\searrow\,</math> linéaire <math>\;\ldots</math></ref>{{,}} <ref> Il est aussi possible de vérifier la <math>\,\searrow\,</math> exponentielle de la pseudo-amplitude d'oscillation à l'aide de « Regressi », pour cela suivre le mode opératoire suivant : <br>{{Al|3}}le fichier « PPA_t_theta.rw3 » étant ouvert dans « Regressi », allez dans le menu « Graphe » du fichier, sélectionnez le tracé de l'élongation angulaire en fonction du temps, puis cliquez sur « Modèles <math>\rightarrow</math> Autres <math>\rightarrow</math> Oscillations <math>\rightarrow</math> Amorties (période) », vous observerez alors le tracé de l'amortissement exponentiel.</ref> on peut définir le décrément logarithmique <ref name="décrément logarithmique"> Voir la question « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Exercices/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_du_décrément_logarithmique_et_établissement_de_son_expression_en_fonction_du_facteur_de_qualité|définition du décrément logarithmique et établissement de son expression en fonction du facteur de qualité]] » de l'exercice « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Exercices/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Décrément_logarithmique_d'un_P.E.V.A._(pendule_élastique_vertical_amorti)_et_détermination_du_cœfficient_de_frottement_fluide_entre_le_solide_et_le_fluide_dans_lequel_le_premier_se_déplace|décrément logarithmique d'un P.E.V.A. et détermination du cœfficient de frottement fluide entre le solide et le fluide dans lequel le 1^er se déplace]] » de la série chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref> <math>\,\delta = \ln\! \left[ \dfrac{\theta(t)}{\theta(t + \mathcal{T})} \right] =</math> <math>\dfrac{1}{n}\;\ln\! \left[ \dfrac{\theta(t)}{\theta(t + n\;\mathcal{T})} \right]\,</math> dont la valeur est «<math>\;\delta \simeq 0,112\;</math>» d'où l'évaluation de la constante de temps d'amortissement <math>\,\tau = \dfrac{\mathcal{T}}{\delta} \simeq</math> <math>13,3\;s</math> <math>\,\bigg[</math>la pseudo-amplitude <math>\,\searrow\,</math> selon <math>\,\exp\! \left( - \dfrac{t}{\tau} \right)\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,\delta = \dfrac{\mathcal{T}}{\tau}\bigg]</math>. * <u>Diagramme horaire de vitesse angulaire du P.P.A.</u> <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="rendre A. le P.P." /> : ouvrant le fichier « PPA_t_theta.rw3 » dans « Regressi » <ref name="Regressi" /> correspondant à l'acquisition des positions angulaires du P.P.A. <ref name="P.P.N.A." />{{,}} <ref name="rendre A. le P.P." /> écarté de <math>\,\theta_0 \simeq 10\;\text{°} \simeq +\dfrac{\pi}{18}\;rad\,</math> de sa position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable" /> et lâché sans vitesse initiale, nous évaluons la vitesse angulaire par « Regressi » <ref name="Regressi" /> selon le mode opératoire décrit ci-après « dans le menu “Grandeurs” du fichier, sélectionner “Tableau”, cliquer sur “ajouter (une colonne)” puis sélectionner “dérivée” en renseignant tout ce qui est demandé, une fois la colonne de vitesse angulaire établie aller dans le menu “Graphe” du fichier, sélectionner le tracé de la vitesse angulaire en fonction du temps, on visualise alors le diagramme horaire de vitesse angulaire <math>\,\big(</math>sans que les différents points successifs ne soient reliés<math>\big)</math>, terminer en faisant la sauvegarde du fichier sous le nom “PPA_t_theta_omega.rw3” » <math>\,\big[</math>tracé non fourni, il est légèrement triangularisé avec une 1^ère pseudo-amplitude <math>\simeq 40\,\text{°} \cdot s^{-1}\big]</math>. * <u>[[w:Portrait_de_phase|Portrait de phase]] du P.P.A.</u> <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="rendre A. le P.P." /> : à partir du fichier « PPA_t_theta_omega.rw3 » ouvert dans « Regressi » <ref name="Regressi" /> correspondant à l'acquisition des positions angulaires du P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="rendre A. le P.P." /> écarté de <math>\,\theta_0 \simeq 10\;\text{°}</math> <math>\simeq +\dfrac{\pi}{18}\;rad\,</math> de sa position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable" /> et lâché sans vitesse initiale, à laquelle a été ajoutée l'évaluation de la vitesse angulaire correspondant aux différents instants de l'acquisition, on peut visualiser le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] du P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="rendre A. le P.P." /> <math>\,\big(</math>sans que les différents points successifs ne soient reliés<math>\big)\,</math> selon le mode opératoire suivant « dans le menu “Graphe” du fichier, sélectionner l'élongation angulaire comme abscisse et la vitesse angulaire comme ordonnée » <math>\;\big[</math>tracé non fourni à allure de « patatoïde » <math>\,\big(</math>car les points ne sont pas reliés, la théorie conduisant à un [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] spiralant en direction du point asymptote <math>\,\left\lbrace 0\,,\,0 \right\rbrace\big)\big]</math>. === Mise en évidence de l’amortissement du P.P. === {{Al|5}}On observe pratiquement un amortissement exponentiel dans le diagramme horaire de position angulaire du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Utilisation_de_la_centrale_de_conversion_Eurosmart_SysamSP5_pilotée_par_l’interface_python|utilisation de la centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 pilotée par l'interface python]] » plus haut dans ce chapitre bien que l'amplitude initiale d'oscillations ne soit pas petite <math>\,\big(</math>elle vaut en effet <math>\,\simeq 1,5\;rad \simeq 86\;\text{°}\big)</math>, la pseudo-période valant <math>\,\mathcal{T} \simeq 1,19\;s\,</math> et, en supposant que la pseudo-amplitude <math>\,\searrow\,</math> exponentiellement <ref name="décroissance exponentielle approximative dans le cas des pseudo-amplitudes non petites"> Ce qui sera établi dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’amplitudes_initiales_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'amplitudes initiales non petites]] (d'un P.P.A., approximation des petites élongations angulaires) » plus loin dans le chapitre dans les conditions de faibles valeurs absolues d'élongation angulaire mais qui ne l'est plus algébriquement dès que celles-ci peuvent devenir grandes <math>\,\big(</math>toutefois nous supposerons que cela reste plus ou moins exact numériquement<math>\big)</math>.</ref>, le décrément logarithmique <ref name="décrément logarithmique" /> <math>\,\delta = \ln\! \left[ \dfrac{\theta(t)}{\theta(t + \mathcal{T})} \right] = \dfrac{1}{n}\;\ln\! \left[ \dfrac{\theta(t)}{\theta(t + n\;\mathcal{T})} \right]\,</math> est estimée à «<math>\;\delta \simeq 0,15\;</math>» d'où l'évaluation de la constante de temps d'amortissement <math>\,\tau = \dfrac{\mathcal{T}}{\delta} \simeq 7,9\;s</math> <math>\,\bigg[</math>ceci, dans la mesure où la « pseudo-amplitude <math>\,\searrow\,</math> selon <math>\,\exp\! \left( - \dfrac{t}{\tau} \right)\;</math>» <ref name="décroissance exponentielle approximative dans le cas des pseudo-amplitudes non petites" /> <math>\Rightarrow</math> <math>\,\delta = \dfrac{\mathcal{T}}{\tau}\bigg]</math>. {{Al|5}}Dans le diagramme horaire de position angulaire du P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="rendre A. le P.P." /> du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Autre_utilisation_de_la_centrale_de_conversion_Eurosmart_SysamSP5_associée_aux_logiciels_«_Synchronie_2003_»_et_«_Regressi_»|autre utilisation de la centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 associée aux logiciels “Synchronie 2003” et “Regressi”]] » plus haut dans ce chapitre, la <math>\,\searrow\,</math> exponentielle de la pseudo-amplitude est établie algébriquement <ref name="décroissance exponentielle approximative dans le cas des pseudo-amplitudes non petites" /> car cette dernière reste petite <math>\,\big(</math>la 1^ère pseudo-amplitude valant <math>\,10,1\;\text{°}\big)</math>, revoir l'étude dans le paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Autre_utilisation_de_la_centrale_de_conversion_Eurosmart_SysamSP5_associée_aux_logiciels_«_Synchronie_2003_»_et_«_Regressi_»|précité]] <math>\;\ldots</math> == En complément : équation différentielle du mouvement du pendule pesant amorti (à un degré de liberté) == === C.I. de lancement pour que le mouvement du P.P.A. soit à un degré de liberté === {{Al|5}}Le [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] <math>\,\big(</math>P.P.<math>\big)\,</math> devient « amorti <math>\,\big(</math>A.<math>\big)\;</math>» s’il est soumis <math>\,\big(</math>en plus de son poids et des actions de la liaison en <math>\,O\big)\,</math> à des forces de frottements fluides linéaires, les frottements solides étant toujours considérés comme inexistants : * si la liaison est une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] <math>\,\big(</math>idéale<math>\big)\;</math><ref name="liaison idéale"> C.-à-d. dans laquelle on peut négliger les frottements solides.</ref>, celle-ci imposant un seul degré de liberté de rotation, les C.I. <ref name="C.I."> Condition(s) Initiale(s).</ref> de lancement peuvent être quelconques <math>\,\big[</math>toutefois la liaison n'autorise qu'une vitesse initiale de lancement <math>\,\perp\,</math> à l'axe de la liaison<math>\big]</math> ; * si la liaison est une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] <ref name="liaison sphérique"> Encore appelée « [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison rotule]] », elle laisse trois degrés de liberté en rotation <math>\,\big[</math>deux permettant de définir la direction <math>\,\left( OG \right)\,</math> dans l’espace et un autorisant le solide à tourner autour de l’axe <math>\,\left( OG \right)\big]</math>.</ref> pour laquelle existent trois degrés de liberté de rotation, les C.I. <ref name="C.I." /> de lancement sont les mêmes que celles d'un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> permettant à ce dernier d'avoir un mouvement dans un plan fixe <ref name="C.I. pour un mouvement à un degré de liberté"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#C.I._de_lancement_pour_que_le_mouvement_du_P.P.(N.A.)_soit_à_un_degré_de_liberté|C.I. de lnacement pour que le mouvement du P.P.(N.A.) soit à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> à savoir : <br><math>\;\succ\;</math>« on écarte le P.P.A. <ref name="P.P.A." /> de sa position d’équilibre stable <ref name="équilibre stable" /> et on le lâche sans vitesse initiale <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\;</math><ref name="C.I. pour un mouvement à un degré de liberté" /> » ou <br><math>\;\succ\;</math>« on écarte le P.P.A. <ref name="P.P.A." /> de sa position d’équilibre stable <ref name="équilibre stable" /> et on le lâche avec une vitesse initiale de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> située dans le plan vertical contenant <math>\,O\;\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\;</math><ref name="C.I. pour un mouvement à un degré de liberté" /> ». {{Al|5}}<u>Remarque</u> : dans le cas où la liaison est une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] <math>\,\big(</math>idéale<math>\big)\;</math><ref name="liaison idéale" />, les C.I. de lancement sont aussi les «<math>\;\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\;</math> ou <math>\;\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\;</math>» <ref name="C.I. pour un mouvement à un degré de liberté" />, la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] imposant que le C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> ne peut être lancé que dans un plan transversal à la liaison <math>\;\ldots</math> === Dans le cas d’une liaison sphérique et avec les C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), établissement de la nature plane du mouvement du C.D.I. G du P.P.A. === [[File:Pendule pesant amorti à un degré de liberté - forces extérieures.png|thumb|360px|Schéma d'un P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] <ref name="liaison sphérique" /> avec ajout des actions extérieures, repérage cylindro-polaire d'axe <math>\,\overrightarrow{Oz}\,</math> vertical <math>\,\downarrow\,</math> du C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\;</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]], <math>\,I\,</math> étant le point où la résultante des forces de frottement fluide peut être appliquée]] {{Al|5}}La démonstration est analogue à celle exposée dans le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#En_complément,_établissement_de_la_nature_plane_du_mouvement_du_P.P.S.A._lancé_dans_les_C.I._«_1a_»_ou_«_1b_»|en complément, établissement de la nature plane du mouvement du P.P.S.A. lancé dans les C.I. “1a” ou “1b”]] » du chap.<math>12</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] », on y établit la nature plane du mouvement du {{Nobr|P.P.S.A. <ref name="P.P.S.A."> [[w:Pendule_simple|Pendule Pesant Simple]] Amorti.</ref>}} lancé dans les C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;1a\;</math>» ou «<math>\;1b\;</math>» <ref name="C.I. 1a ou 1b"> Voir les C.I. de lancement du P.P.S.(N.A.) pour que le mouvement de ce dernier soit à un degré de liberté dans le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Conditions_initiales_(C.I.)_de_lancement_«_1a_»_ou_«_1b_»_induisant_un_mouvement_du_P.P.S._à_un_degré_de_liberté|conditions initiales (C.I.) de lancement 1a ou 1b induisant un mouvement du P.P.S. à un degré de liberté]] » du chap.<math>12</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, toutefois, ici, la démonstration nécessitant de légères adaptations est exposée de nouveau ci-dessous : {{Al|5}}les actions extérieures exercées sur le [[w:Pendule_pesant|pendule]] sont <math>\,\big(</math>voir schéma ci-contre<math>\big)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids «<math>\;m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\;</math>» de moment vectoriel par rapport à <math>\,O\,</math> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = \overrightarrow{OG}(t) \wedge m\;\vec{g} =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}<math>\mathfrak{a}\;\vec{u}_{r_G}(t) \wedge m\;\vec{g}\;</math>» <ref name="déf de urG"> <math>\;\vec{u}_{r_G}(t)\;</math> étant le 1^er vecteur de base sphérique de pôle <math>\;O\;</math> associé au point <math>\;G</math>.</ref> dans lequel <math>\,\vec{u}_{r_G}(t) = \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\, \vec{u}_{\rho_G}(t) + \cos\! \left[ \theta_G(t) \right]\, \vec{u}_z\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}<math>\mathfrak{a}\, \left\lbrace \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\, \vec{u}_{\rho_G}(t) + \cos\! \left[ \theta_G(t) \right]\, \vec{u}_z \right\rbrace \wedge m\;g\;\vec{u}_z\;</math> ou, en utilisant la distributivité de la multiplication par un <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}scalaire et celle de la multiplication vectorielle par rapport à la même addition vectorielle <ref name="distributivité de la multiplication vectorielle relativement à l'addition vectorielle"> Voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Propriétés_2|propriétés]] de la multiplication vectorielle » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}<math>= \mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\, \vec{u}_{\rho_G}(t) \wedge m\;g\;\vec{u}_z\; \cancel{+\; \mathfrak{a}\; \cos\! \left[ \theta_G(t) \right]\, \vec{u}_z \wedge m\;g\;\vec{u}_z} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\varphi_G}(t)\;</math>» <ref> En effet la base <math>\,\left\lbrace \vec{u}_{\rho_G}(t), \,\vec{u}_z, \, \vec{u}_{\varphi_G}(t) \right\rbrace\,</math> étant direct, <math>\,\vec{u}_{\rho_G}(t) \wedge \vec{u}_z = -\vec{u}_{\varphi_G}(t)</math>.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>les actions de la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] en <math>\,O\,</math> se réduisant à « la réaction <math>\,\vec{R}(t)\;</math>», appliquée en <math>\;O</math>, se décomposant <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}a priori selon <math>\,\vec{R}(t) = R_{\rho_G}(t)\;\vec{u}_{\rho_G}(t) + R_{\varphi_G}(t)\;\vec{u}_{\varphi_G}(t) + R_z(t)\;\vec{u}_z\;</math><ref name="existence des trois composantes de la réaction"> Les trois composantes existent a priori si le [[w:Pendule_pesant|pendule]] est lancé avec une vitesse initiale non contenue dans le plan vertical de lancement.</ref> mais, avec les C.I. <ref name="C.I." /> de lancement <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;1a\;</math>» ou «<math>\;1b\;</math>» <ref name="C.I. 1a ou 1b" />, celle-ci se simplifie en <math>\,\vec{R}(t) = R_{\rho_G}(t)\;\vec{u}_{\rho_G}(t) + R_z(t)\;\vec{u}_z\;</math><ref name="réduction à deux composantes de la réaction dans ces C.I."> Si les C.I. de lancement du [[w:Pendule_pesant|pendule]] sont celles décrites au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#C.I._de_lancement_pour_que_le_mouvement_du_P.P.(N.A.)_soit_à_un_degré_de_liberté|C.I. de lancement pour que le mouvement du P.P.(N.A.) soit à un degré de liberté]] (dans le cas d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]]) » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] », la composante de la réaction sur <math>\,\vec{u}_{\varphi_G}(t)\,</math> est nulle c.-à-d. <math>\,R_{\varphi_G}(t) = 0\;\;\forall\;t\,</math> et par suite <math>\,\vec{R}(t) = R_{\rho_G}(t)\;\vec{u}_{\rho_G}(t) + R_z(t)\;\vec{u}_z</math>, en effet <br>{{Al|3}}une composante de réaction suivant une direction existe pour s’opposer à <math>\,\big(</math>ou limiter<math>\big)\,</math> une action suivant la direction considérée <math>\,\big\{</math><u>ce qui est le cas de la composante suivant</u><math>\;\vec{u}_z</math>, la seule action extérieure « le poids » étant suivant <math>\,\vec{u}_z</math>, la foce de frottement fluide étant une réaction<math>\big\}</math> ou <br>{{Al|3}}{{Transparent|une composante de réaction suivant une direction existe }}si un mouvement existe suivant la direction considérée à l'instant <math>\,0</math>, mouvement selon cette direction qui se poursuit en étant modifié par l'action <math>\,\big\{</math><u>ce qui est le cas de la composante de</u><math>\;\vec{R}\;</math><u>suivant</u><math>\;\vec{u}_{\rho_G}\,</math> dans les <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\,</math> de lancement, la seule action extérieure « le poids » étant suivant <math>\,\vec{u}_z\,</math> et la vitesse initiale de lancement <math>\,\vec{V}_G(0) =</math> <math>\Vert \vec{V}_G(0) \Vert \left[ \cos(\theta_0)\;\vec{u}_{\rho_G}(0) - \sin(\theta_0)\;\vec{u}_z \right]\,</math> ayant deux composantes suivant <math>\,\vec{u}_{\rho_G}(0)\,</math> et <math>\,\vec{u}_z</math> <math>\,\big[</math>à l'instant <math>\,0\,</math> les forces extérieures étant dans le plan vertical de lancement <math>\,\big(</math>la force de frottement fluide étant de même direction et de sens contraire à la vitesse<math>\big)\,</math> <math>\Rightarrow</math> le vecteur accélération initial de <math>\,G\,</math> y est contenu, de même que le vecteur vitesse initial de <math>\,G</math>, d'où on en déduit que le vecteur vitesse de <math>\,G\,</math> à un instant légèrement postérieur <math>\,\delta t\,</math> est aussi contenu dans le plan vertical de lancement de même que la force de frottement fluide <math>\,\ldots\,</math> ainsi on établit, par récurrence, que la réaction à l'instant <math>\,t\,</math> est dans le plan vertical de lancement<math>\big]\,</math> et <u>n'est pas le cas de la composante de</u><math>\,\vec{R}\,</math><u>suivant</u><math>\;\vec{u}_{\varphi_G}\,</math> dans les <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\,</math> ou <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\,</math> de lancement par absence simultanée de composante d'action et de vitesse à un instant juste antérieur <math>\,\big[</math>dans les <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\,</math> de lancement, il n'y a pas de vitesse initiale mais le mouvement démarrant suivant <math>\,\vec{u}_z\,</math> entraîne un mouvement suivant <math>\,\vec{u}_{\rho_G}\,</math> de façon à ce que la distance <math>\,OG\,</math> reste constante<math>\big]\big\}</math></ref> de vecteur moment par <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}rapport à <math>\,O\,</math> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = \vec{0}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>les actions des « forces de frottement fluide » supposées « linéaires » <ref> Bien que les conditions de frottement fluide vues dans le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Forces,_principe_des_actions_réciproques#En_complément,_condition_de_vitesse_relativement_aux_dimensions_du_système_de_points_matériels_fermé_indéformable_en_translation_dans_un_fluide_immobile_et_relativement_à_la_nature_de_ce_dernier_pour_une_forme_linéaire_ou_quadratique_de_frottement_fluide|en complément, condition de vitesse relativement aux dimensions du système de points matériels fermé indéformable dans un fluide immobile et relativement à la nature de ce dernier pour une forme linéaire ou quadratique de frottement fluide]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » et appliquées aux mouvements d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] nécessiteraient une forme quadratique de résistance à l'avancement du P.P. dans son environnement fluide pour coller de plus près à la réalité, nous faisons l'hypothèse d'une forme linéaire, celle-ci n'induisant qu'une faible erreur de traitement <math>\,\big(</math>et conduisant à une solution analytique dans le cas des faibles valeurs absolues d'élongations angulaires<math>\big)</math>.</ref> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions }}un pseudo point centré en <math>\,M</math>, point quelconque de la surface latérale <ref name="pseudo point d'une expansion surfacique"> Un pseudo point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M</math>, en translation dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> à la vitesse à l'instant <math>\,t</math> «<math>\;\vec{V}_M(t)\;</math>».</ref> du front du P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="front"> Le front d'un solide en translation dans un fluide globalement au repos est la projection orthogonale du solide sur un plan transverse c.-à-d. sur un plan <math>\,\perp\,</math> au vecteur vitesse du solide.</ref> de <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions }}[[w:Maître-couple|maître couple]] d'aire <math>\,{dS'}_{\!\!M}\;</math><ref name="maître couple"> Le [[w:Maître-couple|maître couple]] est défini pour un objet <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation, c'est la projection orthogonale de l'objet sur un plan transverse c.-à-d. sur un plan <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\vec {V}_{(\mathcal {S})}(t)</math> ; <br>{{Al|3}}quand le mouvement est quelconque on peut définir un [[w:Maître-couple|maître couple]] pour chaque pseudo-point <math>\,(M,\,dS)\,</math> de la surface latérale du front de l'objet <math>\,\big(</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#cite_note-front-60|⁶⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big)</math> ; <br>{{Al|3}}{{Transparent|quand le mouvement est quelconque }}l'aire du [[w:Maître-couple|maître couple]] de <math>\,(M,\,dS)\,</math> du plan localement transverse à savoir «<math>\;{dS'}_{\!\!M}\;</math>» est aussi la projection orthogonale de <math>\,dS\,</math> sur ce plan.</ref> subit une force de frottement fluide linéaire «<math>\;\overrightarrow{d \mathcal{R}}_{dS,\,\text{flu}}(M) = -h\;\vec{V}_M\;\dfrac{{dS'}_{\!\!M}}{S'}\;</math>» <math>\Bigg\{</math>«<math>\;S' = \displaystyle\iint\limits_{S_{\text{lat. front}}} {dS'}_{\!\!M}\;</math>» <ref name="intégrale surfacique"> Voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref> étant l'aire du [[w:Maître-couple|maître couple]] <br>{{Al|3}}{{Transparent|quand le mouvement est quelconque }}du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> <math>\,\big(</math>en toute rigueur le front de la surface latérale dépendant du sens de déplacement du [[w:Pendule_pesant|pendule]], <math>\,{dS'}_{\!M}\,</math> et <math>\,S'\,</math> en dépendent, néanmoins nous supposerons, <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions }}pour simplifier l'étude, qu'il n'en est rien <ref name="front de surface latérale indépendante du sens de déplacement"> Par exemple en supposant que le [[w:Pendule_pesant|pendule]], dans sa position initiale de lancement, est géométriquement symétrique relativement au plan contenant <math>\,OG\,</math> et <math>\,\perp\,</math> au plan vertical de lancement.</ref><math>\big)</math>, «<math>\;h\;</math>» une constante positive <math>\,\big(</math>exprimée en <math>\;kg \cdot s^{-1}\big)\,</math> caractéristique du frottement linéaire dépendant de la [[w:Viscosité_dynamique|viscosité]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions }}[[w:Viscosité_dynamique|dynamique]] <ref name="viscosité dynamique"> La définition de la [[w:Viscosité_dynamique|viscosité dynamique]] d'un fluide <math>\,\eta_{\text{flu}}\,</math> n'est pas au programme de P.C.S.I. mais on peut en donner une 1^ère notion élémentaire en considérant une couche de fluide de faible épaisseur se déplaçant sur un plan immobile, le plan exercera sur la couche une force de frottement qui tendra à ralentir le déplacement de la couche et ceci d'autant plus que le fluide sera visqueux {{Nobr|<math>\,\big(</math>c.-à-d.}} qu'il « collera » au plan<math>\big)</math> ; <br>{{Al|3}}si on considère maintenant le fluide visqueux d'épaisseur <math>\,e\,</math> non petite se déplaçant sur le plan immobile par entrainement de sa couche supérieure <math>\,\big(</math>cette couche supérieure étant entraînée par ce qu'il y a au-dessus, par exemple le vent sur un cours d'eau ou un plan mobile sur de l'huile<math>\big)</math>, la vitesse en son sein varie suivant l'altitude <math>\,z\,</math> car la couche inférieure à l'altitude <math>\,z_i = 0\,</math> tend à avoir la même vitesse que le plan sur lequel elle repose alors que la couche supérieure à l'altitude <math>\,z_s = e > 0\,</math> a la même vitesse que l'objet qui l'entraîne : une couche intermédiaire de fluide de faible épaisseur à l'altitude <math>\,z \in \left] 0\,,\, e \right[\,</math> va donc subir deux forces de contact, celle de la couche immédiatement supérieure d'altitude <math>\,z^{+}\,</math> qui va plus vite qu'elle et tend à l'entraîner et celle de la couche immédiatement inférieure d'altitude <math>\,z^{-}\,</math> qui va moins vite qu'elle et tend à la ralentir, on parlera de forces de cisaillement car les deux forces agissent en sens contraires ; on établit que la [[w:Contrainte_de_cisaillement|contrainte de cisaillement]] {{Nobr|<math>\,\big[</math>c.-à-d.}} la norme commune des forces tangentielles de cisaillement rapportée à l'unité de surface des couches en regard<math>\big]\,</math> que l'on notera <math>\,\tau_{\text{cis}} = \bigg\Vert \dfrac{d \vec{f}_{z\,\leftarrow\,z^{+}}}{d \Sigma} \bigg\Vert = \bigg\Vert \dfrac{d \vec{f}_{z\,\leftarrow\,z^{-}}}{d \Sigma} \bigg\Vert\,</math> s'exprimant en <math>\,Pa</math>, <math>\,d \Sigma\,</math> étant l'aire élémentaire commune des couches en regard, est liée à la [[w:Viscosité_dynamique|viscosité dynamique]] <math>\,\eta_{\text{flu}}\,</math> du fluide par <math>\,\tau_{\text{cis}} = \eta_{\text{flu}}\; \bigg\Vert \dfrac{d \vec{V}_{\text{couche}_z}}{d z} \bigg\Vert\,</math> avec <math>\,\vec{V}_{\text{couche}_z}\,</math> le vecteur vitesse de translation de la couche d'altitude <math>\,z</math>, ceci impliquant que la [[w:Viscosité_dynamique|viscosité dynamique]] <math>\,\eta_{\text{flu}}\,</math> du fluide s'exprime en <math>\,Pa \cdot s\,</math> <math>\big[</math>encore appelé « poiseuille » de symbole <math>\,Pl</math>, ce nom ayant été donné en hommage à '''[[w:Jean-Léonard-Marie_Poiseuille|Jean-Léonard-Marie Poiseuille]] (1797 - 1869)''' physicien et médecin français pour son étude de l'écoulement du sang dans les vaisseaux et la généralisation de celle-ci aux [[w:Écoulement_laminaire|écoulements laminaires]] des fluides visqueux dans les tuyaux cylindriques<math>\big]</math> ;<br>{{Al|3}}c'est aussi ce qu'on observe lors de la circulation d'un fluide dans une conduite, les molécules de fluide au contact de la conduite tendant à rester immobiles alors que celles sur l'axe de la conduite {{Nobr|<math>\,\big(</math>c.-à-d.}} les molécules les plus éloignées des parois de la conduite<math>\big)\,</math> ont la vitesse maximale <math>\;\ldots</math> <br>{{Al|3}}on définit aussi une autre viscosité appelée [[w:Viscosité_cinématique|viscosité cinématique]] notée <math>\,\nu_{\text{flu}}\,</math> qui dépend de la [[w:Viscosité_dynamique|viscosité dynamique]] <math>\,\eta_{\text{flu}}\,</math> du fluide ainsi que de sa masse volumique <math>\,\mu_{\text{flu}}\,</math> selon <math>\,\nu_{\text{flu}} = \dfrac{\eta_{\text{flu}}}{\mu_{\text{flu}}}\,</math> s'exprimant donc en <math>\,m^2 \cdot s^{-1}\,</math> <math>\big[</math>mais cette unité étant relativement grande on en a introduit une mieux adaptée le « stokes » de symbole <math>\,St\,</math> égal à <math>\,1\,St = 10^{-4}\,m^2 \cdot s^{-1}\big]</math> ; '''[[w:George_Gabriel_Stokes|George Gabriel Stokes]] (1819 - 1903)''' est un mathématicien et physicien britannique à qui on doit, dans le domaine de la physique, d'importants travaux en [[w:Mécanique_des_fluides|mécanique des fluides]], l'étude des variations de la gravitation à la surface de la terre <math>\,\big(</math>il est considéré comme l'un des initiateurs de la [[w:Géodésie|géodésie]]<math>\big)\,</math> et aussi l'explication du phénomène de [[w:Fluorescence|fluorescence]].</ref> et de la densité du fluide <ref name="influence de la densité du fluide sur les frottements fluides"> Par exemple un objet rentrant dans l'atmosphère subira une résultante de forces de frottement fluide plus faible dans la haute atmosphère <math>\,\big(</math>où la densité est faible, l'atmosphère y étant raréfiée<math>\big)\,</math> que dans l'atmosphère proche du sol.</ref> ainsi que « de la forme et des dimensions du système de points matériels »<math>\Bigg\}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions un pseudo point }}<math>\succ\;</math>la résultante des forces de frottement fluide «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{R}}_{\!\text{flu}} = \displaystyle\iint\limits_{S_{\text{lat. front}}} \overrightarrow{d \mathcal{R}}_{dS,\,\text{flu}}(M) = -\dfrac{h}{S'}\! \displaystyle\iint\limits_{S_{\text{lat. front}}} \vec{V}_{\!M}\;{dS'}_{\!\!M}\;</math>» <ref name="intégrale surfacique" /> laquelle se réécrit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions un pseudo point <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>}}en définissant <math>\;I</math>, point solidaire du [[w:Pendule_pesant|pendule]], selon «<math>\;\overrightarrow{OI} = \dfrac{1}{S'}\! \displaystyle\iint\limits_{S_{\text{lat. front}}} \overrightarrow{OM}\;{dS'}_{\!\!M}\;</math>» <ref name="intégrale surfacique" />{{,}} <ref name="unicité de I"> Supposant, pour simplifier l'étude, que la forme du front de la surface latérale ne dépend pas du sens de déplacement du [[w:Pendule_pesant|pendule]] et donc que <math>\,{dS'}_{\!M}\,</math> ainsi que <math>\,S'\,</math> n'en dépendent pas non plus, l'intégrale de définition de <math>\,I\,</math> est la même pour les deux sens de déplacement du [[w:Pendule_pesant|pendule]].</ref>{{,}} <ref name="positionnement relatif de I par rapport à G"> Compte-tenu des définitions de <math>\,I</math> <math>\,\big(</math>qui ne dépend que du positionnement des [[w:Maître-couple|maîtres couples]] locaux sans influence des masses<math>\big)\,</math> et de <math>\,G</math> <math>\,\big(</math>qui dépend de la répartition des masses en volume<math>\big)</math>, {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{OI}\;</math>»}} n’est en général pas dans le plan vertical contenant «<math>\;\overrightarrow{OG}\;</math>».</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions un pseudo point <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>}}en dérivant <math>\,\overrightarrow{OI}\,</math> par rapport au temps, «<math>\;\vec{V}_I(t) = \dfrac{1}{S'}\! \displaystyle\iint\limits_{S_{\text{lat. front}}} \vec{V}_{\!M}(t)\;{dS'}_{\!\!M}\;</math>» <ref name="intégrale surfacique" />, «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{R}}_{\!\text{flu}}(t) = -h\;\vec{V}_I(t)\;</math>» <ref name="vecteurs vitesse des points liés au pendule"> Même si <math>\,I\,</math> n’est pas dans le plan vertical contenant «<math>\;\overrightarrow{OG}\;</math>», <math>\,I\,</math> et <math>\,G\,</math> sont des points liés au solide tournant autour de son point fixe <math>\,O\,</math> et on en déduit «<math>\;\vec{V}_G(t) = \vec{\Omega}(t) \wedge \overrightarrow{OG}(t)\;</math>» ainsi que «<math>\;\vec{V}_I(t) = \vec{\Omega}(t) \wedge \overrightarrow{OI}(t)\;</math>» où «<math>\;\vec{\Omega}(t)\;</math>» est le vecteur rotation instantanée <math>\,\perp\,</math> au plan vertical contenant «<math>\;\overrightarrow{OG}\;</math>».</ref> s’appliquant en <math>\,I\;</math><ref name="positionnement relatif de I par rapport à G" />{{,}} <ref name="justification de varphiI = varphiG et de l'hypothèse thetaI = thetaG"> Toutefois la seule action extérieure motrice étant le poids, lequel n'a pas de composante hors du plan vertical contenant <math>\,\overrightarrow{OG}\,</math> et en absence de vitesse initiale de <math>\,G\,</math> hors de ce plan, la résultante des forces de frottement fluide ne peut avoir de composante hors de ce plan et comme celle-ci est <math>\,\propto\,</math> à <math>\,\vec{V}_I</math>, on en déduit que le vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_I\,</math> doit être <math>\,\parallel\,</math> à ce plan et par suite que l'éventuelle composante de <math>\,\overrightarrow{OI}\,</math> hors de ce plan devant être constante pour chaque sens de déplacement du [[w:Pendule_pesant|pendule]] est finalement nulle si on suppose que le [[w:Pendule_pesant|pendule]] est géométriquement symétrique relativement à ce plan, on peut donc aisément supposer que «<math>\;I\;</math>» <math>\,\in\,</math> au plan vertical contenant <math>\,\overrightarrow{OG}</math> ; <br>{{Al|3}}<math>\,I\,</math> étant comme <math>\,G\,</math> solidaires du [[w:Pendule_pesant|pendule]], l'angle <math>\,\theta_I\,</math> que fait <math>\,\overrightarrow{OI}\,</math> avec la verticale <math>\downarrow</math> passant par <math>\,O\,</math> est lié de façon unique à l'angle <math>\,\theta_G\,</math> que fait <math>\,\overrightarrow{OG}\,</math> avec cette même verticale <math>\downarrow</math> passant par <math>\,O</math>, le lien le plus simple est de supposer que <math>\,\theta_I = \theta_G\,</math> et c'est l'hypothèse que nous admettrons <math>\,\big(</math>mais en fait tout dépend du lien existant entre la répartition des masses dans le [[w:Pendule_pesant|pendule]] et celle des [[w:Maître_couple|maîtres couples]] locaux<math>\big)</math>, pour simplifier on a donc représenté <math>\,I\,</math> sur le support de <math>\,\overrightarrow{OG}</math>.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions un pseudo point }}<math>\succ\;</math>le vecteur moment par rapport à <math>\,O\,</math> des forces de frottement fluide «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{O,\,\text{flu}} = \overrightarrow{OI} \wedge \overrightarrow{\mathcal{R}}_{\!\text{flu}} = -h\;\overrightarrow{OI} \wedge \left[ \vec{\Omega} \wedge \overrightarrow{OI} \right]\;</math>» <ref name="vecteurs vitesse des points liés au pendule" /> soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions un pseudo point <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>}}en utilisant une formule du double produit vectoriel <ref name="formules du double produit vectoriel"> Voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Formules_du_double_produit_vectoriel|formules du double produit vectoriel]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] », la formule utilisée étant «<math>\;\vec{u} \wedge \left( \vec{v} \wedge \vec{w} \right) = \left( \vec{u} \cdot \vec{w} \right) \vec{v} - \left( \vec{u} \cdot \vec{v} \right) \vec{w}\;</math>».</ref>, «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{O,\,\text{flu}} = -h \left[ \overrightarrow{OI}^2\;\vec{\Omega} - \left( \overrightarrow{OI} \cdot \vec{\Omega} \right) \overrightarrow{OI} \right]\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions un pseudo point <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>}}faisant les hypothèses simplificatrices «<math>\;I\,\in\,</math> au plan vertical contenant <math>\,\overrightarrow{OG}\;</math>» en accord avec les C.I. <ref name="C.I." /> de lancement et «<math>\;\theta_I = \theta_G\;</math>» <ref name="justification de varphiI = varphiG et de l'hypothèse thetaI = thetaG" /> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions un pseudo point <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>faisant les hypothèses simplificatrices }}«<math>\;\vec{\Omega} = \dot{\theta}_G\;\vec{u}_{\varphi_G} + \dot{\varphi}_G\;\vec{u}_z\;</math>» et «<math>\;\overrightarrow{OI} = r_I\;\vec{u}_{r_G}\;</math>» d'où «<math>\;\overrightarrow{OI} \cdot \vec{\Omega} = \cancel{r_I\;\dot{\theta}_G \left( \vec{u}_{r_G} \cdot \vec{u}_{\varphi_G} \right) +}\; r_I\;\dot{\varphi}_G \left( \vec{u}_{r_G} \cdot \vec{u}_z \right)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions un pseudo point <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>faisant les hypothèses simplificatrices «<math>\;\color{transparent}{\vec{\Omega} = \dot{\theta}_G\;\vec{u}_{\varphi_G} + \dot{\varphi}_G\;\vec{u}_z}\;</math>» et «<math>\;\color{transparent}{\overrightarrow{OI} = r_I\;\vec{u}_{r_G}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\overrightarrow{OI} \cdot \vec{\Omega}}\,</math> }}<math>= r_I\;\dot{\varphi}_G\;\cos(\theta_G)\;</math>» <ref> En effet la base sphérique <math>\,\left\lbrace \vec{u}_{r_G}\,,\,\vec{u}_{\theta_G}\,,\,\vec{u}_{\varphi_G} \right\rbrace\,</math> liée à <math>\,G\,</math> étant orthonormée directe <math>\,\big\{</math>c.-à-d. utilisant, dans un espace orienté à droite <math>\,\big[</math>voir l'« introduction du paragraphe [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Produit_vectoriel_de_deux_vecteurs|produit vectoriel de deux vecteurs]] (pour la signification d'espace orienté à droite) » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]</math>, la règle de la main droite, voir la description et d'autres règles identiques dans la note « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#cite_note-règle_de_la_main_droite-17|¹⁷]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big\}\,</math> on a «<math>\;\vec{u}_{r_G} \cdot \vec{u}_{\varphi_G} = 0\;</math>» d'une part et d'autre part «<math>\;\vec{u}_{r_G} \cdot \vec{u}_z = \cos(\theta_G)\;</math>» <math>\,\theta_G\,</math> étant l'angle entre <math>\,\vec{u}_z\,</math> et <math>\,\vec{u}_{r_G}</math> <math>\,\big\{</math>angle <math>\,\geqslant 0</math>, les angles du plan méridien étant orientés par <math>\,\vec{u}_{\varphi_G}\,</math> selon la règle du tire-bouchon de Maxwell <math>\,\big[</math>tire-bouchon pour droitier, plaçant un bouchon en un point <math>\,M\,</math> de l'espace et tournant le tire-bouchon de façon à ce qu'il s'enfonce dans le bouchon, l'orientation est donnée par les sens associés de rotation et de translation au point <math>\,M</math>, elle est dite « à droite » parce qu'il faut tourner vers la droite pour que le tire-bouchon s'enfonce dans le bouchon<math>\big]\big\}</math> ; <br>{{Al|3}}'''[[w:James_Clerk_Maxwell|James Clerk Maxwell]] (1831 - 1879)''' physicien et mathématicien écossais, principalement connu pour ses [[w:Équations_de_Maxwell|équations]] unifiant l'électricité, le magnétisme et l'induction ainsi que pour l'établissement du caractère électromagnétique des ondes lumineuses, mais aussi pour sa [[w:Loi_de_distribution_des_vitesses_de_Maxwell#Énoncé|distribution des vitesses]] utilisée dans une description statistique de la [[w:Théorie_cinétique_des_gaz|théorie cinétique des gaz]] ; le tire-bouchon fictif portant son nom a été baptisé ainsi en son honneur.</ref>, on en déduit <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions un pseudo point <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>faisant les hypothèses simplificatrices }}«<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{O,\,\text{flu}} = -h\;r_I^2 \left\lbrace \dot{\theta}_G\;\vec{u}_{\varphi_G} + \dot{\varphi}_G \left[ \vec{u}_z - \cos(\theta_G)\;\vec{u}_{r_G} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref> En effet <math>\,\overrightarrow{\mathcal{M}}_{O,\,\text{flu}} = -h \left\lbrace r_I^2 \left[ \dot{\theta}_G\;\vec{u}_{\varphi_G} + \dot{\varphi}_G\;\vec{u}_z \right] - r_I^2\;\dot{\varphi}_G\;\cos(\theta_G)\;\vec{u}_{r_G} \right\rbrace = -h\;r_I^2 \left\lbrace \dot{\theta}_G\;\vec{u}_{\varphi_G} + \dot{\varphi}_G \left[ \sin^2(\theta_G)\;\vec{u}_z - \sin(\theta_G)\;\cos(\theta_G)\;\vec{u}_{\rho_G} \right] \right\rbrace\,</math> se réécrit en base cylindro-polaire liée à <math>\,G\,</math> sachant que <math>\,\vec{u}_{r_G} =</math> <math>\cos(\theta_G)\;\vec{u}_z + \sin(\theta_G)\;\vec{u}_{\rho_G}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,\vec{u}_z - \cos(\theta_G)\;\vec{u}_{r_G} = \left[ 1 - \cos^2(\theta_G) \right] \vec{u}_z - \sin(\theta_G)\;\cos(\theta_G)\;\vec{u}_{\rho_G} = \sin^2(\theta_G)\;\vec{u}_z - \sin(\theta_G)\;\cos(\theta_G)\;\vec{u}_{\rho_G}\,</math> soit l'expression finale donnée.</ref> ou encore, en posant «<math>\;H = h\,r_I^2\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions un pseudo point <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>faisant les hypothèses simplificatrices }}«<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{O,\,\text{flu}}(t) = -H\; \dot{\theta}_G(t)\;\vec{u}_{\varphi_G}(t) - H\; \dot{\varphi}_G(t) \left\lbrace \sin^2\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_z - \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\cos\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\rho_G}(t) \right\rbrace\;</math>» <ref> En effet <math>\,\vec{u}_{r_G} = \cos(\theta_G)\;\vec{u}_z + \sin(\theta_G)\;\vec{u}_{\rho_G}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,\vec{u}_z - \cos(\theta_G)\;\vec{u}_{r_G} = \vec{u}_z - \cos(\theta_G) \left[ \cos(\theta_G)\;\vec{u}_z + \sin(\theta_G)\;\vec{u}_{\rho_G} \right] = \sin^2(\theta_G)\;\vec{u}_z - \cos(\theta_G)\;\sin(\theta_G)\;\vec{u}_{\rho_G}</math>.</ref>. {{Al|5}}<u>Démonstration de la nature plane du mouvement de</u><math>\;G\;</math><u>dans les</u><math>\;\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\;</math><u>de lancement</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane }}le théorème du mouvement du C.D.I. <ref name="C.D.I." /> appliqué au P.P.A. <ref name="P.P.A." /> «<math>\;m\;\vec{g} + \vec{R}(t) + \overrightarrow{\mathcal{R}}_{\!\text{flu}}(t) = m\;\vec{a}_G(t)\;\; (\mathfrak{2})\;</math>» <ref name="théorème du mouvement du C.D.I."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Principe_fondamental_de_la_dynamique_et_théorème_de_la_résultante_cinétique#Énoncé_du_théorème_(dynamique_newtonienne)|énoncé du théorème (dynamique newtonienne)]] (du mouvement du centre d'inertie d'un système fermé de points matériels) » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] », sa généralisation, sans aucune restriction, à un système continu fermé de matière d'expansions tridimensionnelle, surfacique ou linéique étant admise.</ref> avec «<math>\;m\;\vec{g}\,</math> et <math>\,\vec{R}\,</math> dans le plan <math>\,\left( \vec{u}_{\rho_G}\,,\, \vec {u}_z \right)\;</math>» d'une part <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane }}ainsi que «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{R}}_{\!\text{flu}} = -h\;\vec{V}_I = -h \left[ \vec{\Omega} \wedge \overrightarrow{OI} \right] = -h \left[ \dot{\theta}_G\;\vec{u}_{\varphi_G} + \dot{\varphi}_G\;\vec{u}_z \right] \wedge r_I\;\vec{u}_{r_G}\;</math>» <ref> En utilisant la distributivité de la multiplication vectorielle relativement à l'addition vectorielle <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Propriétés_2|propriétés]] (de la multiplication vectorielle) » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> d'où la réécriture du 1^er terme <math>\,\big(</math>après mise en facteur par <math>\,-h\;r_I\big)\,</math> selon <math>\,\dot{\theta}_G\;\vec{u}_{\varphi_G} \wedge \vec{u}_{r_G} = \dot{\theta}_G\;\vec{u}_{\theta_G}</math>, celle du 2^ème terme <math>\,\big(</math>après la même mise en facteur par <math>\,-h\;r_I\big)\,</math> donnant <math>\,\dot{\varphi}_G\;\vec{u}_z \wedge \vec{u}_{r_G}\,</math> ou, avec <math>\,\vec{u}_{r_G} = \cos(\theta_G)\;\vec{u}_z + \sin(\theta_G)\;\vec{u}_{\rho_G}</math>, <math>\,\dot{\varphi}_G\;\sin(\theta_G)\;\vec{u}_z \wedge \vec{u}_{\rho_G} = \dot{\varphi}_G\;\sin(\theta_G)\;\vec{u}_{\varphi_G}</math>.</ref> d'où «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{R}}_{\!\text{flu}} = -h\;r_I \left[ \dot{\theta}_G\;\vec{u}_{\theta_G} + \dot{\varphi}_G\;\sin(\theta_G)\;\vec{u}_{\varphi_G} \right]\;</math>» ou encore «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{R}}_{\!\text{flu}}</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane ainsi que «<math>\;\color{transparent}{\overrightarrow{\mathcal{R}}_{\!\text{flu}}}</math> }}<math>= -h\;r_I\; \dot{\theta}_G\;\vec{u}_{\theta_G} - h\;\rho_I\; \dot{\varphi}_G\;\vec{u}_{\varphi_G}\,</math> avec <math>\,r_I\;\sin(\theta_G) = \rho_I\;</math>» d'autre part, d'où, en projetant l'équation <math>\,(\mathfrak{2})\,</math> sur <math>\,\vec{u}_{\varphi_G}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane }}«<math>\;0 + 0 - h\;\rho_I(t)\; \dot{\varphi}_G(t) = m\;a_{\varphi_G,\,G}(t) = m\;\dfrac{1}{\rho_G(t)}\;\dfrac{d\! \left[ \rho_G^2\,\dot{\varphi_G} \right]}{dt}(t)\;</math>» par forme semi-intégrée de l'accélération orthoradiale en repérage cylindro-polaire <ref name="forme semi intégrée de l'accélération orthoradiale"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Description_et_paramétrage_du_mouvement_d'un_point_:_Systèmes_de_coordonnées#Composantes_cylindro-polaires_(ou_cylindriques)_du_vecteur_accélération_du_point_repéré_dans_le_référentiel_d'étude|composantes cylindro-polaires (ou cylindriques) du vecteur accélération du point repéré dans le référentiel d'étude]] (autre forme de l'accélération orthoradiale) » du chap.<math>2</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dans laquelle la coordonnée orthoradiale <math>\,\theta\,</math> doit être remplacée par <math>\,\varphi_G</math>.</ref> <br>{{Al|8}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane «<math>\;\color{transparent}{0 + 0 - h\;\rho_I(t)\; \dot{\varphi}_G(t) = m\;a_{\varphi_G,\,G}(t) = m\;\rho_G(t)\;d\! \left[ \rho_G^2\,\dot{\varphi_G} \right](t)}\;</math>» par forme semi-intégrée de l'accélération orthoradiale en }}dont la validité suppose «<math>\;\rho_G \neq 0\;</math>» ou, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane }}avec «<math>\;\rho_I(t) = \dfrac{r_I}{\mathfrak{a}}\;\rho_G(t)\;</math>» <ref> <math>\,I\,</math> et <math>\,G\,</math> étant solidaires du [[w:Pendule_pesant|pendule]] leur disposition à l'instant <math>\,t\,</math> reste la même que celle à l'instant initial.</ref>, en multipliant les deux membres par <math>\,\rho_G(t) \neq 0,\;\;\forall\;t</math>, <math>\Rightarrow</math> «<math>\;-h\;\dfrac{r_I}{\mathfrak{a}}\;\rho_G^2(t)\; \dot{\varphi}_G(t) = m\;\dfrac{d\! \left[ \rho_G^2\,\dot{\varphi_G} \right]}{dt}(t)\;</math>», soit finalement <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane }}«<math>\;\dfrac{d\! \left[ \rho_G^2\,\dot{\varphi_G} \right]}{dt}(t) + \dfrac{h\;r_I}{m\;\mathfrak{a}} \left[ \rho_G^2\,\dot{\varphi_G} \right](t) = 0\,</math> pour <math>\,t \in \mathbb{R}^{+} \setminus \left\lbrace t_{\text{éq stable}} \right\rbrace\;</math>» <ref name="suppression des instants de passage à l'équilibre stable"> Pour cela il est nécessaire de supprimer les valeurs de <math>\,t\,</math> pour lesquelles <math>\,\rho_G(t) = 0</math>, <math>\,\big[t = t_{\text{éq stable}}\,</math> instants de passage par la position verticale d'équilibre stable du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]], ce dernier étant en équilibre stable pour <math>\,G\,</math> sur la verticale de <math>\,O\,</math> et au-dessous<math>\big]</math>.</ref>, équation différentielle linéaire homogène du 1^er ordre en <math>\,\rho_G^2\,\dot{\varphi_G}\,</math> à cœfficients constants, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane }}qui s'intègre, sur chaque intervalle continu de temps <math>\,\mathcal{I}_i\;i\,\in\,\mathbb{N}\,</math> ne contenant pas de valeurs <math>\,t_{\text{éq stable}}</math>, en «<math>\;\rho_G^2(t)\,\dot{\varphi_G}(t) = A_i\;\exp\! \left( -\dfrac{h\;r_I}{m\;\mathfrak{a}}\;t\right)\;\forall\;t\;\in\;\mathcal{I}_i\;</math>» <ref name="constante d'intégration dépendant a priori de l'intervalle d'intégration"> Constante d'intégration <math>\,A_i\,</math> dépendant a priori de l'intervalle continu de temps <math>\,\mathcal{I}_i\,</math> sur lequel se fait l'intégration mais en fait toutes ces constantes vont être égales d'après ce qui suit et la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#cite_note-constantes_d'intégration_toutes_égales-82|⁸²]] » plus bas dans le chapitre <math>\;\ldots</math></ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane qui s'intègre, }}dont on peut prolonger le résultat aux valeurs discrètes <math>\,t_{\text{éq stable}}\,</math> compte-tenu de la continuité des grandeurs <math>\,\rho_G(t)\;</math><ref name="continuité des longueurs"> Si une longueur était discontinue de 1^ère espèce <math>\,\big(</math>correspondant à un saut fini à l'instant de discontinuité<math>\big)</math>, cela supposerait une vitesse infinie à l'instant de discontinuité, ce qui n'est pas possible <math>\;\ldots</math></ref> et <math>\,\dot{\varphi_G}(t)\;</math><ref name="continuité des vitesses"> Si la vitesse angulaire <math>\,\dot{\varphi_G}(t)\,</math> était discontinue de 1^ère espèce <math>\,\big(</math>correspondant à un saut fini à l'instant de discontinuité<math>\big)</math>, cela supposerait la vitesse orthoradiale <math>\,\rho_G(t)\;\dot{\varphi_G}(t)\,</math> également discontinue de 1^ère espèce et par suite sa dérivée temporelle infinie à l'instant de discontinuité <math>\,\big[</math>attention la dérivée temporelle de la vitesse orthoradiale n'est pas l'accélération orthoradiale revoir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Description_et_paramétrage_du_mouvement_d'un_point_:_Systèmes_de_coordonnées#Composantes_cylindro-polaires_(ou_cylindriques)_du_vecteur_accélération_du_point_repéré_dans_le_référentiel_d'étude|composantes cylindro-polaires (ou cylindriques) du vecteur accélération du point repéré dans le référentiel d'étude]] » du chap.<math>2</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>, ce qui nécessiterait la discontinuité de 1^ère espèce d'au moins une force appliquée et n'est pas le cas ici <math>\;\ldots</math></ref> pour tout <math>\,t \in \mathbb{R}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane qui s'intègre, }}ce qui entraîne la continuité de <math>\,\rho_G^2(t)\,\dot{\varphi_G}(t)\;</math><ref name="constantes d'intégration toutes égales"> Et par suite une même constante d'intégration pour tous les intervalles continus de temps ne contenant pas de valeurs <math>\,t_{\text{éq stable}}\;\ldots</math></ref> soit finalement «<math>\;\rho_G^2(t)\,\dot{\varphi_G}(t) = A\;\exp\! \left( -\dfrac{h\;r_I}{m\;\mathfrak{a}}\;t\right)\!,\;\;\forall\;t \in \mathbb{R}^{+}\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane qui s'intègre, }}on détermine la constante <math>\,A\,</math> par utilisation partielle des C.I. <ref name="C.I." /> <math>\,\left\lbrace \begin{array}{l} \theta_G(0) = \theta_0\;&\text{et }&\varphi_G(0) = 0\\ \dot{\theta_G}(0) = 0\;&\text{et }&\dot{\varphi_G}(0) = 0\end{array}\right\rbrace\;</math><ref name="demi-plan méridien de référence"> En choisissant le plan de lancement comme demi-plan méridien de référence <math>\,xOz\,</math> on en déduit <math>\,\varphi_G(0) = 0</math>.</ref>{{,}} <ref name="traduction de l'absence de vitesse initiale"> Par absence de vitesse initiale on a <math>\,V_{z_G}(0) = \dot{z_G}(0) = -\mathfrak{a}\;\sin(\theta_0)\;\dot{\theta_G}(0) = 0\,</math> <math>\big\{</math>en effet <math>\,z_G(t) = \mathfrak{a}\;\cos[ \theta(t)]\big\}\,</math> d'où <math>\,\dot{\theta_G}(0) = 0\,</math> et <math>\,V_{\varphi_G}(0) = \rho(0)\;\dot{\varphi_G}(0) = \mathfrak{a}\;\sin(\theta_0)\;\dot{\varphi_G}(0) = 0\,</math> <math>\big\{</math>en effet <math>\,\rho_G(t) = \mathfrak{a}\;\sin[ \theta(t)]\big\}\,</math> d'où <math>\,\dot{\varphi_G}(0) = 0</math>.</ref> soit, avec «<math>\;\rho_G(t) = \mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane qui s'intègre, }}la réécriture partielle des C.I. <ref name="C.I." /> sous la forme «<math>\;\mathfrak{a}^2\;\sin^2(\theta_0)\;\dot{\varphi_G}(0) = A\;</math>» ou «<math>\;0 = A\;</math>» et par suite «<math>\;\rho_G^2(t)\,\dot{\varphi_G}(t) = 0,\;\;\forall\;t \in \mathbb{R}^{+}</math>» ou, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane qui s'intègre, }}en simplifiant par <math>\,\rho_G^2(t)\,</math> non identiquement nul, «<math>\;\dot{\varphi_G}(t) = 0,\;\;\forall\;t \in \mathbb{R}^{+}\;</math>» ou enfin, après intégration «<math>\;\varphi_G(t) = cste',\;\;\forall\;t \in \mathbb{R}^{+}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane qui s'intègre, }}on détermine la valeur de <math>\,cste'\,</math> par C.I. <ref name="C.I." /> <math>\,\varphi_G(0) = 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste' = 0</math>, soit finalement <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane qui s'intègre, }}«<math>\;\varphi_G(t) = 0,\;\;\forall\;t \in \mathbb{R}^{+}\;</math>», c.-à-d. la nature <u>plane</u> du mouvement de <math>\,G\,</math> dans le plan de lancement. {{Al|5}}<u>Démonstration de la nature plane du mouvement de</u><math>\;G\;</math><u>dans les</u><math>\;\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\;</math><u>de lancement</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane }}aucune modification avant l'intervention des C.I. <ref name="C.I." /> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\rho^2(t)\,\dot{\varphi}(t) = A\;\exp\! \left( -\dfrac{h\;r_I}{m\;\mathfrak{a}}\;t\right)\!,\;\;\forall\;t \in \mathbb{R}^{+}\;</math>» comme précédemment, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane }}la constante d'intégration se déterminant par utilisation partielle des C.I. <ref name="C.I." /> <math>\,\left\lbrace \begin{array}{l} \theta_G(0) = \theta_0\;&\text{et }&\varphi_G(0) = 0\\ \dot{\theta_G}(0) = \dfrac{V_0}{\mathfrak{a}}\;&\text{et }&\dot{\varphi_G}(0) = 0\end{array}\right\rbrace\;</math><ref name="demi-plan méridien de référence" />{{,}} <ref name="traduction d'une vitesse initiale V0"> La vitesse initiale étant dans le plan de lancement on a <math>\,V_{z_G}(0) = \dot{z_G}(0) = -\mathfrak{a}\;\sin(\theta_0)\;\dot{\theta_G}(0) = V_0\;\sin(\theta_0)\,</math> <math>\big\{</math>en effet <math>\,z_G(t) = \mathfrak{a}\;\cos[ \theta(t)]\,</math> et la vitesse initiale est <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\overrightarrow{OG_0}\,</math> dans le plan vertical <math>\,\downarrow\,</math> de lancement<math>\big\}\,</math> d'où <math>\,\dot{\theta_G}(0) = -\dfrac{V_0}{\mathfrak{a}}\,</math> et <math>\,V_{\varphi_G}(0) = \mathfrak{a}\;\sin(\theta_0)\;\dot{\varphi_G}(0) = 0\;</math> et par suite <math>\,\dot{\varphi_G}(0) = 0</math>.</ref> soit, avec «<math>\;\rho_G(t) = \mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane }}la réécriture partielle des C.I. <ref name="C.I." /> sous la forme «<math>\;\mathfrak{a}^2\;\sin^2(\theta_0)\;\dot{\varphi_G}(0) = A\;</math>» ou «<math>\;0 = A\;</math>» et par suite «<math>\;\rho_G^2(t)\,\dot{\varphi_G}(t) = 0,\;\;\forall\;t \in \mathbb{R}^{+}\;</math>» ou, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane qui s'intègre, }}en simplifiant par <math>\,\rho_G^2(t)\,</math> non identiquement nul, «<math>\;\dot{\varphi_G}(t) = 0,\;\;\forall\;t \in \mathbb{R}^{+}\;</math>» ou enfin, après intégration «<math>\;\varphi_G(t) = cste',\;\;\forall\;t \in \mathbb{R}^{+}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane qui s'intègre, }}on détermine la valeur de <math>\,cste'\,</math> par C.I. <ref name="C.I." /> <math>\,\varphi_G(0) = 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste' = 0</math>, soit finalement <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane qui s'intègre, }}«<math>\;\varphi_G(t) = 0,\;\;\forall\;t \in \mathbb{R}^{+}\;</math>», c.-à-d. la nature <u>plane</u> du mouvement de <math>\,G\,</math> dans le plan de lancement. === Dans le cas d’une « liaison pivot » ou d’une « liaison sphérique avec C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b) », nouveau repérage adapté à la nature rotatoire du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté === [[File:Pendule pesant amorti à un degré de liberté - forces extérieures - bis.png|thumb|300px|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\;G\;</math> et représentation des forces extérieures, <math>\,I\,</math> étant le point où la résultante des forces de frottement fluide peut être appliquée]] {{Al|5}}Avec les deux types de liaison, « [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] » ou « [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] <ref name="liaison sphérique" /> avec C.I. <ref name="C.I." /> de lancement <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\,</math> ou <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\;</math>» <ref name="C.I. 1a ou 1b" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, }}le P.P.A. <ref name="P.P.A." /> ayant un mouvement de rotation autour d’un axe horizontal fixe noté <math>\,\Delta_O\;</math><ref> Dans le cas d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] avec C.I. de lancement <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\,</math> ou <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)</math>, la nature plane du mouvement de <math>\,G\,</math> ayant été vérifiée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Dans_le_cas_d'une_liaison_sphérique_et_avec_les_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b),_établissement_de_la_nature_plane_du_mouvement_du_C.D.I._G_du_P.P.A.|dans le cas d'une liaison sphérique et avec les C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), établissement de la nature plane du mouvement du C.D.I. G du P.P.A.]] » plus haut dans ce chapitre et la distance <math>\,[OG]\,</math> étant constante, on en déduit effectivement la nature circulaire du mouvement de <math>\,G</math>.</ref> et orienté par «<math>\;\vec{u}_{\Delta_O}\;</math>» <ref name="identification de l'axe dans le cas d'une liaison sphérique"> Dans le cas d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] avec C.I. de lancement <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\,</math> ou <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)</math>, <math>\,\vec{u}_{\Delta_O}\,</math> s'identifie à <math>\,\vec{u}_{\varphi_G}(t) = \vec{u}_{\varphi_G}(0)</math>.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, }}on repère le C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> dans le plan vertical du mouvement <math>\,zOx</math> <br>{{Al|10}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, on repère le C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}\,</math> }}<math>\big\{</math>avec <math>\,\vec{u}_z\,</math> unitaire vertical <math>\,\downarrow</math>, <math>\,\vec{u}_x\,</math> unitaire horizontal <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\vec{u}_y</math> <math>\,\big(</math>3^ème vecteur unitaire horizontal égal à <br>{{Al|10}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, on repère le C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}\,</math> <math>\color{transparent}{\big\{}</math>}}<math>\,\vec{u}_{\Delta_O}\big)</math> tels que la base cartésienne «<math>\;\left( \vec{u}_z\,,\,\vec{u}_x\,,\, \vec{u}_{\Delta_O} \right)\;</math> soit directe » <ref name="base directe d'un espace orienté à droite"> C.-à-d. utilisant, dans un espace orienté à droite <math>\,\big[</math>voir l'« introduction du paragraphe [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Produit_vectoriel_de_deux_vecteurs|produit vectoriel de deux vecteurs]] (pour la signification d'espace orienté à droite) » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]</math>, la règle de la main droite, voir la description et d'autres règles identiques dans la note « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#cite_note-règle_de_la_main_droite-17|¹⁷]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, l'espace physique étant <br>{{Al|14}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, on repère le C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}\,</math> <math>\color{transparent}{\big\{}</math><math>\,\color{transparent}{\vec{u}_{\Delta_O}\big)}</math> tels que la base cartésienne «<math>\;\color{transparent}{\left( \vec{u}_z\,,\,\vec{u}_x\,,\, \vec{u}_{\Delta_O} \right)}\;</math> soit directe », }}orienté à droite <ref name="orienté à droite" /><math>\big\}</math>, <br>{{Al|10}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, on repère le C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}\,</math> }}par ses coordonnées polaires de pôle <math>\,O\,</math> et d’axe <math>\,\Delta_O\,</math> orienté par <math>\,\vec{u}_{\Delta_O}\,</math> soit, avec la base polaire liée <br>{{Al|10}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, on repère le C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}\,</math> par ses coordonnées polaires }}au C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> dans ce plan <math>\,zOx</math>, «<math>\;\left( \vec{u}_r\,,\,\vec{u}_\theta \right)\;</math>» <ref name="simplification de notation de base polaire"> On simplifie la notation par rapport à celle utilisée jusqu'à présent «<math>\;\vec{u}_r\,</math> à la place de <math>\,\vec{u}_{r_G}\;</math>» et «<math>\;\vec{u}_\theta\,</math> à la place de <math>\,\vec{u}_{\theta_G}\;</math>».</ref>, <br>{{Al|10}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, on repère le C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}\,</math> par ses coordonnées polaires }}«<math>\,\left\lbrace\! r_G = \mathfrak{a}\,,\, \theta_G = \widehat{\left(\! \vec{u}_z\,,\,\overrightarrow{OG} \!\right)} = \widehat{\left( \vec{u}_z\,,\,\vec{u}_r \right)} \!\right\rbrace\,</math>» <ref name="expression du vecteur position de G"> En effet <math>\,\overrightarrow{OG} = \mathfrak{a}\;\vec{u}_r</math>.</ref>, <math>\,\theta_G\;</math><ref name="theta au lieu de thetaG"> Abscisse angulaire du C.D.I. <math>\,G\,</math> du P.P.A. noté «<math>\;\theta\;</math>» par la suite en absence d'ambiguïté <math>\,\ldots</math></ref> est aussi le <br>{{Al|10}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, on repère le C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}\,</math> par ses coordonnées polaires }}paramètre de position angulaire repérant le mouvement du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, }}<math>\,\big[</math>ici nous considérons que le front de la surface latérale du P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="front" /> ne dépend pas du sens de déplacement de ce dernier <ref name="front de surface latérale indépendante du sens de déplacement" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}et par suite que le point d'application <math>\,I\,</math> de la résultante des forces de frottement fluide n'en dépend pas non plus <ref name="unicité de I" /> en étant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}d'une part, « dans le plan vertical du mouvement de <math>\,G\,</math>» et, d'autre part, « sur le support de <math>\,\overrightarrow{OG}\,</math>» <ref name="justification de varphiI = varphiG et de l'hypothèse thetaI = thetaG" /><math>\big]</math>. {{Al|5}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, }}Les actions extérieures agissant sur le P.P.A. <ref name="P.P.A." /> représentées sur le schéma ci-contre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, Les actions extérieures }}sont les seules pour une « [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] <ref name="liaison sphérique" /> avec C.I. <ref name="C.I." /> de lancement <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\,</math> ou <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\;</math>» <ref name="C.I. 1a ou 1b" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, Les actions extérieures sont les seules }}à savoir<math>\;\bullet\;</math>son poids «<math>\;m\,\vec{g} = m\,g\,\vec{u}_z = m\,g\,\cos(\theta)\,\vec{u}_r - m\,g\,\sin(\theta)\,\vec{u}_\theta\;</math>» de moment <br>{{Al|5}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, Les actions extérieures sont les seules à savoir<math>\;\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}vectoriel par rapport à <math>\,O\,</math> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right] = -m\,g\,\mathfrak{a}\, \sin(\theta)\,\vec{u}_{\Delta_O}\;</math>» <ref name="identification de l'axe dans le cas d'une liaison sphérique" />{{,}} <ref name="forces extérieures pour une liaison sphérique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Dans_le_cas_d'une_liaison_sphérique_et_avec_les_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b),_établissement_de_la_nature_plane_du_mouvement_du_C.D.I._G_du_P.P.A.|dans le cas d'une liaison sphérique et avec les C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), établissement de la nature plane du mouvement du C.D.I. G du P.P.A.]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, Les actions extérieures sont les seules à savoir}}<math>\;\bullet\;</math>la réaction de la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] <ref name="liaison sphérique" /> <math>\,\vec{R}(t) = R_r(t)\,\vec{u}_r + R_\theta(t)\,\vec{u}_\theta\;</math><ref name="forces extérieures pour une liaison sphérique" /> appliquée en <math>\,O</math>, de moment vectoriel en <math>\,O\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, Les actions extérieures sont les seules à savoir<math>\;\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction de la liaison sphérique <math>\,\color{transparent}{\vec{R}(t) = R_r(t)\,\vec{u}_r + R_\theta(t)\,\vec{u}_\theta}\;</math> appliquée en <math>\,\color{transparent}{O}</math>, }}«<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = \vec{0}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, Les actions extérieures sont les seules à savoir}}<math>\;\bullet\;</math>la résultante des forces de frottement fluide «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{R}}_{\!\text{flu}}(t) = -h\;\vec{V}_I(t)\;</math>» <ref name="h"> «<math>\;h\;</math>» étant une constante positive <math>\,\big(</math>exprimée en <math>\;kg \cdot s^{-1}\big)\,</math> caractéristique du frottement fluide linéaire.</ref> s’appliquant en <math>\,I\;</math><ref name="résultante des forces de frottement fluide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Dans_le_cas_d'une_liaison_sphérique_et_avec_les_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b),_établissement_de_la_nature_plane_du_mouvement_du_C.D.I._G_du_P.P.A.|dans le cas d'une liaison sphérique et avec les C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), établissement de la nature pland du mouvement du C.D.I. G du P.P.A.]] (actions extérieures) » plus haut dans ce chapitre, le cas d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] ne changeant rien aux forces de frottement fluide.</ref> de vecteur moment en <math>\,O\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, Les actions extérieures sont les seules à savoir<math>\;\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{O,\,\text{flu}}(t) = -H\; \dot{\theta}_G(t)\;\vec{u}_{\varphi_G}(t) - H\; \dot{\varphi}_G(t) \left\lbrace \sin^2\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_z - \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\cos\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\rho_G}(t) \right\rbrace\;</math>» <ref name="H"> «<math>\;H = h\,r_I^2\;</math>».</ref>{{,}} <ref name="résultante des forces de frottement fluide" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, Les actions extérieures sont les seules à savoir<math>\;\color{transparent}{\bullet}\;</math>«<math>\color{transparent}{\overrightarrow{\mathcal{M}}_{O,\,\text{flu}}(t)}</math> }}<math>= -H\; \dot{\theta}_G(t)\;\vec{u}_{\Delta_O} + H\; \dot{\varphi}_G(t) \sin\!\left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\theta_G}(t)\;</math>» <ref name="identification de l'axe dans le cas d'une liaison sphérique" />{{,}} <ref name="retour au repérage polaire du plan zOx"> En effet <math>\,\left\lbrace \begin{array}{r c l}\vec{u}_z \!\!&=&\!\! \cos\!\left[ \theta_G(t) \right] \vec{u}_{r_G}(t) - \sin\!\left[ \theta_G(t) \right] \vec{u}_{\theta_G}(t) \\ \vec{u}_{\rho_G}(t) \!\!&=&\!\! \sin\!\left[ \theta_G(t) \right] \vec{u}_{r_G}(t) + \cos\!\left[ \theta_G(t) \right] \vec{u}_{\theta_G}(t) \end{array} \right\rbrace\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,\left\lbrace \begin{array}{r c l}\sin^2\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_z \!\!&=&\!\! \sin^2\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\cos\!\left[ \theta_G(t) \right] \vec{u}_{r_G}(t) - \sin^3\!\left[ \theta_G(t) \right] \vec{u}_{\theta_G}(t) \\- \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\cos\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\rho_G}(t) \!\!&=&\!\! -\sin^2\!\left[ \theta_G(t) \right]\;\cos\!\left[ \theta_G(t) \right] \vec{u}_{r_G}(t) - \sin\!\left[ \theta_G(t) \right]\;\cos^2\!\left[ \theta_G(t) \right] \vec{u}_{\theta_G}(t) \end{array} \right\rbrace\,</math> dont on déduit <br>«<math>\;\sin^2\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_z - \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\cos\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\rho_G}(t) = - \sin^3\!\left[ \theta_G(t) \right] \vec{u}_{\theta_G}(t) - \sin\!\left[ \theta_G(t) \right]\;\cos^2\!\left[ \theta_G(t) \right] \vec{u}_{\theta_G}(t) = -\sin\!\left[ \theta_G(t) \right]\,\left\lbrace \sin^2\!\left[ \theta_G(t) \right] + \cos^2\!\left[ \theta_G(t) \right] \right\rbrace \vec{u}_{\theta_G}(t) = -\sin\!\left[ \theta_G(t) \right] \vec{u}_{\theta_G}(t)\;</math>».</ref> mais <math>\;\ldots</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, Les actions extérieures sont les seules }}pour une « [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] » il faut ajouter sur le schéma le couple de réaction du pivot <ref name="représentation d'un couple sur un schéma"> Le vecteur moment d'un couple n'est pas représenté par un vecteur pour éviter la confusion avec une force <math>\;\ldots</math></ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, Les actions extérieures sont les seules pour une « liaison pivot » il faut ajouter sur le schéma }}de moment vectoriel <math>\,\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \;\perp\,</math> à <math>\,\Delta_O\;</math><ref> Pour le représenter sur le schéma ci-dessus on indiquerait le sens de rotation qu'il engendrerait s'il agissait seul en mettant, à côté de la flèche incurvée précisant le sens, le nom du vecteur moment du couple de récation du pivot ; <br>{{Al|3}}ici ce n'est pas fait car ce couple n'interviendra pas dans l'application du théorème de la dynamique permettant d'obtenir l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du P.P.A. <math>\;\ldots</math></ref>. === Établissement de l’équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté === {{Al|5}}Pour établir l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à un degré de liberté, <math>\,\Delta_O\,</math> étant un axe fixe dans le référentiel d’étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle }}on se propose d'appliquer au P.P.A. <ref name="P.P.A." /> le théorème du moment cinétique scalaire par rapport à l’axe <math>\,\Delta_O</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle on se propose d'appliquer au P.P.A. }}les actions extérieures s'exerçant sur le pendule précisées au paragraphe précédent <ref name="actions extérieures s'exerçant sur un P.P.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Dans_le_cas_d'une_«_liaison_pivot_»_ou_d'une_«_liaison_sphérique_avec_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b)_»,_nouveau_repérage_adapté_à_la_nature_rotatoire_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|dans le cas d'une liaison pivot ou d'une liaison sphérique avec C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), nouveau repérage adapté à la nature rotatoire du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> sont rappelées ci-dessous : <br>{{Al|11}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle on se propose d'appliquer au P.P.A. }}<math>\bullet\;</math>son poids «<math>\;m\,\vec{g} = m\,g\,\vec{u}_z = m\,g\,\cos(\theta)\,\vec{u}_r - m\,g\,\sin(\theta)\,\vec{u}_\theta\;</math>» de moments <br>{{Al|11}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle on se propose d'appliquer au P.P.A. <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}vectoriel par rapport à <math>\,O\,</math> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right] = -m\,g\,\mathfrak{a}\, \sin(\theta)\,\vec{u}_{\Delta_O}\;</math>» <ref name="actions extérieures s'exerçant sur un P.P.A." /> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle on se propose d'appliquer au P.P.A. <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right] = \overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_O} = -m\,g\,\mathfrak{a}\, \sin(\theta)\;</math>» <ref name="détermination directe du moment scalaire du poids"> On peut déterminer directement le moment scalaire du poids, le schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Dans_le_cas_d’une_«_liaison_pivot_»_ou_d’une_«_liaison_sphérique_avec_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b)_»,_nouveau_repérage_adapté_à_la_nature_rotatoire_du_mouvement_du_P.P..A._à_un_degré_de_liberté|dans le cas d'une liaison pivot ou d'une liaison sphérique avec C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), nouveau repérage adapté à la nature rotatoire du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » plus haut dans le chapitre étant fait avec le paramètre de position angulaire <math>\,\theta > 0</math>, on observe que le poids tend à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,-\,</math> avec un bras de levier <math>\,\big(</math>distance orthogonale séparant l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du support de <math>\,m\,\vec{g}\big)\,</math> égal à <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où, <math>\,\theta\,> 0</math>, «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right] = - \Vert m\,\vec{g} \Vert\, d =</math> <math>-m\,g\,\mathfrak{a}\, \sin(\theta)\;</math>» <math>\,\Big\{</math>le résultat est indépendant du signe de <math>\,\theta\,</math> en effet si le schéma était fait avec <math>\,\theta < 0</math>, on observerait que le poids tendrait à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,+\,</math> avec un bras de levier <math>\,d = \mathfrak{a}\, \vert \sin(\theta) \vert = -\mathfrak{a}\, \sin(\theta)\,</math> <math>\,\big[\theta\,</math> étant <math>\,< 0\big]\,</math> d'où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\,\vec{g} \right] = + \Vert m\,\vec{g} \Vert\, d = m\,g\,\left[ -\mathfrak{a}\, \sin(\theta) \right] = -m\,g\,\mathfrak{a}\, \sin(\theta)\;</math>», soit effectivement le même résultat <math>\,\big[</math>avec toutefois une possibilité d'erreur si on oubliait que <math>\,\theta < 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,\vert \sin(\theta) \vert = -\sin(\theta)\big]\Big\}</math>.</ref>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle on se propose d'appliquer au P.P.A. }}<math>\bullet\;</math>la réaction du point <math>\,O\,</math> de la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] sur le pendule lancé dans les C.I. <ref name="C.I." /> <math>\;\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\;</math> ou <math>\;\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)</math>, appliquée en <math>\,O</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle on se propose d'appliquer au P.P.A. <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction du point <math>\,\color{transparent}{O}\,</math> }}<math>\,\vec{R}(t) = R_r(t)\,\vec{u}_r + R_\theta(t)\,\vec{u}_\theta\;</math><ref name="forces extérieures pour une liaison sphérique" />, de moments vectoriel par rapport à <math>\,O\,</math> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = \vec{0}\;</math>», <br>{{Al|16}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle on se propose d'appliquer au P.P.A. <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction du point <math>\,\color{transparent}{O}\,</math> <math>\,\color{transparent}{\vec{R}(t) = R_r(t)\,\vec{u}_r + R_\theta(t)\,\vec{u}_\theta}\;</math>, de moments }}scalaire en <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="justification de la nullité du moment scalaire"> En effet <math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = \overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_O} = 0</math> ; <br>{{Al|3}}on pouvait aussi justifier directment la nullité du moment scalaire en constatant que le support de <math>\,\vec{R}(t)\,</math> rencontre l'axe <math>\,\Delta_O</math>.</ref>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle on se propose d'appliquer au P.P.A. }}ou <math>\bullet\;</math>la réaction de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> de la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le pendule lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I." /> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle on se propose d'appliquer au P.P.A. <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction de l'axe <math>\,\color{transparent}{\Delta_O}\,</math> }}<math>\,\vec{R}(t) = R_r(t)\,\vec{u}_r + R_\theta(t)\,\vec{u}_\theta\;</math><ref name="forces extérieures pour une liaison sphérique" />, de moments vectoriel par rapport à <math>\,O\,</math> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = \vec{0}\;</math>» et <br>{{Al|18}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle on se propose d'appliquer au P.P.A. <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction du point <math>\,\color{transparent}{O}\,</math> <math>\;\color{transparent}{\vec{R}(t) = R_r(t)\,\vec{u}_r + R_\theta(t)\,\vec{u}_\theta}\;</math>, de moments }}scalaire en <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="justification de la nullité du moment scalaire" /> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle on se propose d'appliquer au P.P.A. <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction du point <math>\,\color{transparent}{O}\,</math> }}auquel s'ajoute le couple de réaction du pivot de moment vectoriel <math>\,\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} =</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle on se propose d'appliquer au P.P.A. <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction du point <math>\,\color{transparent}{O}\,</math> auquel s'ajoute }}<math>\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle on se propose d'appliquer au P.P.A. <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction du point <math>\,\color{transparent}{O}\,</math> auquel s'ajoute }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe"> Le couple étant de moment vectoriel <math>\;\perp\;</math> à <math>\;\Delta_O</math>.</ref> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle on se propose d'appliquer au P.P.A. }}<math>\bullet\;</math>la résultante des forces de frottement fluide «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{R}}_{\!\text{flu}}(t) = -h\;\vec{V}_I(t)\;</math>» <ref name="h" /> s’appliquant en <math>\,I\;</math><ref name="résultante des forces de frottement fluide" /> de vecteur moment en <math>\,O\,</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle on se propose d'appliquer au P.P.A. <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{O,\,\text{flu}}(t) = -H\; \dot{\theta}_G(t)\;\vec{u}_{\Delta_O} + H\; \dot{\varphi}_G(t) \sin\!\left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\theta_G}(t)\;</math>» <ref name="H" />{{,}} <ref name="actions extérieures s'exerçant sur un P.P.A." /> et de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle on se propose d'appliquer au P.P.A. <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t) = \overrightarrow{\mathcal{M}}_{O,\,\text{flu}}(t) \cdot \vec{u}_{\Delta_O} = -H\;\dot{\theta}_G(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle }}le théorème du moment cinétique scalaire appliqué au P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O</math>, fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, s'écrit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle le théorème du moment cinétique scalaire }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) + \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] + \mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t) = J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="théorème du moment cinétique scalaire pour un solide en rotation autour d'un axe fixe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Application_à_un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe#Application_au_cas_d'un_«_système_fermé_de_matière_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe_«_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_2|application au cas d'un système fermé de matière en rotation autour d'un axe Δ fixe quelconque dans un référentiel d'étude galiléen]] (du théorème du moment cinétique scalaire) » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> pour un P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à un degré de liberté, <br>{{Al|13}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle le théorème du moment cinétique scalaire <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>«<math>\;\color{transparent}{\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) + \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] + \mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t) = J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t)}\;</math>» pour un }}lié à <math>\;O\;</math> par « [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] » ou <br>{{Al|5}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle le théorème du moment cinétique scalaire <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;-m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right] + 0 - H\;\dot{\theta}(t) = J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="theta au lieu de thetaG" /> avec «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie d'un solide par rapport à un axe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Moments_cinétiques_d'un_système_discret_de_points_matériels#Expression_du_vecteur_moment_cinétique_d’un_système_discret_de_points_matériels_en_rotation_autour_d’un_axe_Δ_fixe_dans_le_référentiel_d'étude,_le_point_origine_de_calcul_étant_un_point_A_de_Δ|expression du vecteur moment cinétique d'un système discret de points matériels en rotation autour d'un axe Δ fixe dans le référentiel d'étude, le point origine de calcul étant un point A de Δ]] (moment d'inertie) » du chap.<math>2</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » «<math>\;J_\Delta = \sum\limits_{i\,=\,1\,..\,N} J_\Delta(M_i) = \sum\limits_{i\,=\,1\,..\,N} m_i\;r_i^2\;</math>» ainsi que <br>{{Al|24}}{{Transparent|voir }}le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Moments_cinétiques_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe#Expression_du_vecteur_moment_cinétique_d’un_«_système_continu_de_matière_en_rotation_autour_d’un_axe_Δ_fixe_»_dans_le_référentiel_d'étude_par_rapport_à_un_point_A_de_Δ|expression du vecteur moment cinétique d'un système continu de matière en rotation autour d'un axe Δ fixe dans le référentiel d'étude par rapport à un point A de Δ]] (moment d'inertie) » du chap.<math>3</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » soit <br>{{Al|3}}dans le cas d'une expansion tridimensionnelle <math>\;\left( \mathcal{V} \right)</math> : «<math>\;J_\Delta = \displaystyle\iiint\limits_{M\,\in\,\left( \mathcal{V} \right)} dJ_\Delta(M) = \displaystyle\iiint\limits_{M\,\in\,\left( \mathcal{V} \right)} dm\;r^2 = \displaystyle\iiint\limits_{M\,\in\,\left( \mathcal{V} \right)} \mu(M)\;r^2\;d \mathcal{V}_M\;</math>» {{Nobr|<math>\;\big[</math>«<math>\;dJ_\Delta(M) = dm\;r^2\;</math>»}} étant le moment d'inertie par rapport à <math>\;(\Delta)\;</math> du pseudo-point <math>\;M\;(dm)\;</math> c.-à-d. de l'élément de matière centré en <math>\;M\;</math> à la distance orthogonale <math>\;r\;</math> de l'axe <math>\;\left( \Delta \right)\;</math> et de volume <math>\;d \mathcal{V}_M\big]</math>, <math>\;\{</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big\}</math>,<br>{{Al|3}}dans le cas d'une expansion surfacique <math>\;\left( \mathcal{S} \right)</math> : «<math>\;J_\Delta = \displaystyle\iint\limits_{M\,\in\,\left( \mathcal{S} \right)} dJ_\Delta(M) = \displaystyle\iint\limits_{M\,\in\,\left( \mathcal{S} \right)} dm\;r^2 = \displaystyle\iint\limits_{M\,\in\,\left( \mathcal{S} \right)} \sigma(M)\;r^2\;d S_M\;</math>» {{Nobr|<math>\;\big[</math>«<math>\;dJ_\Delta(M) = dm\;r^2\;</math>»}} étant le moment d'inertie par rapport à <math>\;(\Delta)\;</math> du pseudo-point <math>\;M\;(dm)\;</math> c.-à-d. de l'élément de matière centré en <math>\;M\;</math> à la distance orthogonale <math>\;r\;</math> de l'axe <math>\;\left( \Delta \right)\;</math> et d'aire <math>\;d S_M\big]</math> <math>\;\{</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big\}</math> et <br>{{Al|3}}dans le cas d'une expansion linéique <math>\;\left( \Gamma \right)</math> : «<math>\;J_\Delta = \displaystyle\int\limits_{M\,\in\,\left( \Gamma \right)} dJ_\Delta(M) = \displaystyle\int\limits_{M\,\in\,\left( \Gamma \right)} dm\;r^2 = \displaystyle\int\limits_{M\,\in\,\left( \Gamma \right)} \lambda(M)\;r^2\;d \mathit{l}_M\;</math>» {{Nobr|<math>\;\big[</math>«<math>\;dJ_\Delta(M) = dm\;r^2\;</math>»}} étant le moment d'inertie par rapport à <math>\;(\Delta)\;</math> du pseudo-point <math>\;M\;(dm)\;</math> c.-à-d. de l'élément de matière centré en <math>\;M\;</math> à la distance orthogonale <math>\;r\;</math> de l'axe <math>\;\left( \Delta \right)\;</math> et de longueur <math>\;d \mathit{l}_M\big]</math> <math>\;\{</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>15</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big\}</math>.</ref>, <br>{{Al|7}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle le théorème du moment cinétique scalaire <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>«<math>\;\color{transparent}{-m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right] + 0 - H\;\dot{\theta}(t) = J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t)}\;</math>» avec }}et «<math>\;\ddot{\theta}(t)\,</math> l'accélération angulaire du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à l'instant <math>\;t\;</math>» ou <br>{{Al|5}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle le théorème du moment cinétique scalaire }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) + \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} + \mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t) = J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="théorème du moment cinétique scalaire pour un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> pour un P.P.A. <ref name="P.P.A." /> lié à <math>\,\Delta_O\,</math> <br>{{Al|13}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle le théorème du moment cinétique scalaire <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>«<math>\;\color{transparent}{\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) + \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} + \mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t) = J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t)}\;</math>» pour }}par [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] ou <br>{{Al|5}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle le théorème du moment cinétique scalaire <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;-m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right] + 0 + 0 - H\;\dot{\theta}(t) = J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="theta au lieu de thetaG" /> avec «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie d'un solide par rapport à un axe" /> <br>{{Al|7}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle le théorème du moment cinétique scalaire <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>«<math>\;\color{transparent}{-m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right] + 0 + 0 - H\;\dot{\theta}(t) = J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t)}\;</math>» avec }}et «<math>\;\ddot{\theta}(t)\,</math> l'accélération angulaire du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à la date <math>\,t\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle }}d'où la même équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du mouvement du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en rotation autour de <math>\,\Delta_O\,</math> pour un P.P.A. <ref name="P.P.A." /> lié à <math>\,\Delta_O\,</math> par « [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] » et <br>{{Al|12}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle soit la même équation différentielle en <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> du mouvement du P.P.A. en rotation autour de <math>\,\color{transparent}{\Delta_O}\,</math> }}pour un P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à un degré de liberté en [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] à <math>\,O</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle }}en normalisant l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du mouvement du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> nous obtenons «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{h\;\mathit{l}^{\,2}}{m\;\mathit{l}^{\,2}}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathit{l}}{m\; \mathit{l}^{\,2}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="même équation que celle d'un P.P.S.A."> Équation différentielle analogue à celle du P.P.S.A « [[w:Pendule_simple|pendule pesant simple]] (amorti) » laquelle a été déterminée par application de la r.f.d.n. projetée sur <math>\,\vec{u}_\theta</math> <math>\,\big[</math>revoir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#En_complément,_mise_en_équation_du_«_P.P.S.A._»|en complément, mise en équation du P.P.S.A.]] » du chap.<math>12</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> ; <br>{{Al|3}}ce n’est pas une surprise, le P.P.S.(A.) pouvant être considéré comme un cas particulier du P.P.(A.), dans le cas où le P.P.S.(A.) est construit à partir d’une tige rigide sans masse ou à partir d’un fil idéal restant tendu, <math>\;\big[</math>le moment d’inertie du P.P.S.(A.) relativement à l’axe <math>\;\Delta_O\;</math> étant celui du point matériel <math>\;M\;</math> de masse <math>\;m\;</math> situé à la distance <math>\;\mathit{l}\;</math> de <math>\;O\;</math> soit «<math>\;J_{\Delta_O} = m\; \mathit{l}^{\,2}\;</math>», le C.D.I. <math>\;G\;</math> étant confondu avec <math>\;M\;</math> soit «<math>\;\mathfrak{a} = \mathit{l}\;</math>» et le point <math>\;I\;</math> confondu avec <math>\;G\;</math> d'où «<math>\;H = h\;r_I^2 = h\;\mathit{l}^{\,2}\;</math>»<math>\big]\;</math> l’équation différentielle en <math>\;\theta(t)\;</math> du mouvement du P.P.A. appliqué au P.P.S.A. s'écrit alors <center>«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{h\;\mathit{l}^{\,2}}{m\;\mathit{l}^{\,2}}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathit{l}}{m\; \mathit{l}^{\,2}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>»</center> {{Al|3}}ce qui donne bien, après simplification évidente, «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{h}{m}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{g}{\mathit{l}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>».</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle }}une équation différentielle non linéaire du 2^ème ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> avec terme linéaire du 1^er ordre, caractérisant un <u>oscillateur non linéaire amorti</u> <ref name="définition non énergétique d'un oscillateur non linéaire"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Petits_mouvements_au_voisinage_d'un_équilibre_stable#1ère_définition_d'un_oscillateur_«_non_linéaire_»_au_voisinage_d'un_équilibre_stable|1^ère définition d'un oscillateur non linéaire au voisinage d'un équilibre stable]] » du chap.<math>19</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> dans la mesure où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle une équation différentielle non linéaire du 2^ème ordre en <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> avec terme linéaire du 1^er ordre, caractérisant un oscillateur }}le mouvement reste pseudo-oscillatoire. === Absence de solution analytique dans le cas général d’amplitudes initiales non petites === {{Al|5}}Comme l’équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> est de même nature que celle du « P.P.S.A. <ref name="P.P.S.A." /> » <ref name="même équation que celle d'un P.P.S.A." />, on peut faire les mêmes commentaires <ref name="absence de solution analytique pour le P.P.S.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Absence_de_solution_analytique_de_l'équation_différentielle_du_P.P.S.|absence de solution analytique de l'équation différentielle du P.P.S.]] (dans le cas général) » du chap.<math>12</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, rappelés ci-après : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Comme }}l’équation différentielle non linéaire du 2^ème ordre en <math>\,f(x)</math> <math>\,\big(</math>sans terme du 1^er ordre<math>\big)</math> <math>\,\dfrac{d^2 f}{dx^2}(x) + k\;\sin\! \left[ f(x) \right] = 0\,</math> n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique"> On appelle « [[w:Solution_de_forme_fermée|solution analytique]] » d'une équation différentielle, une expression mathématique <math>\,\big(</math>souvent dite « formule explicite »<math>\big)\,</math> pouvant s'obtenir par une combinaison d'opérations et de [[w:Fonction_de_référence|fonctions de référence]] <math>\,\big(</math>c.-à-d. fonctions affines, puissances, trigonométriques et exponentielles ainsi que leurs fonctions inverses sur un domaine de définition restreint pour lequel il y a bijection ainsi que certaines solutions d'équations différentielles dites de référence<math>\big)</math>, les opérations étant l'addition, la soustraction, la multiplication, la division et l'extraction de racines.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Comme }}l'ajout d’un terme supplémentaire d’amortissement du 1^er ordre, fut-il linéaire «<math>\;\propto\,\dfrac{d f}{dx}(x)\;</math>», dans une telle équation différentielle ne peut pas rendre cette dernière soluble analytiquement <ref name="analytique" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Comme }}l'équation différentielle non linéaire du 2^ème ordre en <math>\,f(x)</math> <math>\,\big(</math>avec terme linéaire du 1^er ordre<math>\big)\;</math> n'a donc <u>pas de résolution analytique exacte</u> <ref name="analytique" />, la seule possibilité étant une résolution approchée <br>{{Al|5}}{{Transparent|Comme l'équation différentielle non linéaire du 2^ème ordre en <math>\,\color{transparent}{f(x)}</math> <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>avec terme linéaire du 1^er ordre<math>\color{transparent}{\big)}\;</math> }}<math>\bullet\;</math>analytique <ref name="analytique" /> dans le cas d’« élongations angulaires petites <ref name="élongations angulaires petites (ou non)"> On devrait dire « élongations angulaires petites <math>\,\big(</math>ou non<math>\big)\,</math> <u>en valeur absolue</u> » mais personne ne le fait par abus de langage.</ref> » <br>{{Al|11}}{{Transparent|Comme l'équation différentielle non linéaire du 2^ème ordre en <math>\,\color{transparent}{f(x)}</math> <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>avec terme linéaire du 1^er ordre<math>\color{transparent}{\big)}\;</math> <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>analytique }}<math>\,\big[</math>voir ci-dessous à la fin de ce paragraphe<math>\big]\,</math> ou <br>{{Al|5}}{{Transparent|Comme l'équation différentielle non linéaire du 2^ème ordre en <math>\,\color{transparent}{f(x)}</math> <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>avec terme linéaire du 1^er ordre<math>\color{transparent}{\big)}\;</math> }}<math>\bullet\;</math>numérique dans le cas général d’« élongations angulaires non petites <ref name="élongations angulaires petites (ou non)" /> » <ref> Résolution analogue à celle présentée au paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#En_complément,_«_résolution_numérique_»_de_l'équation_différentielle_d'un_P.P.S._dans_les_C.I._«_1a_»_puis_«_1b_»,_tracé_des_diagrammes_horaires_de_position_et_de_vitesse_ainsi_que_celui_des_portraits_de_phase_correspondant|en complément, résolution numérique de l'équation différentielle d'un P.P.S. dans les C.I. 1a puis 1b, tracé des diagrammes horaires de position et de vitesse ainsi que celui des portraits de phase correspondant]] » du chap.<math>12</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » nécessitant néanmoins d'ajouter le terme d'amortissement <math>\;\ldots</math></ref>. {{Al|5}}<u>Résolution analytique approchée de l'équation différentielle du P.P.A.</u> <ref name="P.P.A." /> <u>dans le cas des petites élongations angulaires</u> <ref name="élongations angulaires petites (ou non)" /> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Résolution analytique approchée }}Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » <ref name="élongations angulaires petites (ou non)" /> est de lancer <ref> Que la liaison avec <math>\,O\,</math> ou <math>\,\Delta_O\,</math> soit [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|sphérique]] ou [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]].</ref> le P.P.A. <ref name="P.P.A." /> avec les C.I. <ref name="C.I." /> de lancement particulières suivantes : <br>{{Al|12}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » est de }}« on écarte le P.P.A. <ref name="P.P.A." /> de sa position d’équilibre stable <ref name="équilibre stable" /> de <math>\,\theta_0\,</math> et <br>{{Al|12}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » est de « }}on le lâche sans vitesse initiale <ref name="(C.I.a)"> Conditions notées «<math>\;\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\;</math>» dans le cas où la liaison avec <math>\,O\,</math> est [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|sphérique]].</ref> » avec la valeur absolue de <math>\,\theta_0\,</math> petite <br>{{Al|20}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » est de « on le lâche sans vitesse initiale » avec }}c.-à-d. <math>\,\vert \theta_0 \vert \ll 1\;</math><ref name="en radians"> À condition que l'angle soit exprimé en <math>\,rad</math>.</ref>, <br>{{Al|12}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » est de « }}l'absence de vitesse angulaire initiale <ref name="signification d'absence de vitesse initiale"> C.-à-d. «<math>\;\dot{\theta}_0 = 0\;</math>».</ref> <math>\Rightarrow</math> <math>\,\vert \theta(t) \vert\,</math> ne dépassera pas <math>\,\vert \theta_0 \vert\;</math><ref name="nature pseudo-oscillatoire de petite amplitude initiale"> La démonstration de la nature pseudo-oscillatoire de pseudo-amplitude <math>\;\searrow\,</math> à partir de <math>\,\vert \theta_0 \vert\,</math> que le P.P. soit en liaison [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|sphérique]] avec <math>\,O\,</math> ou en liaison [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] avec <math>\,\Delta_O\,</math> lancé sans vitesse initiale <math>\,\big(</math>avec <math>\,\vert \theta_0 \vert\,</math> non nécessairement petit<math>\big)\,</math> est analogue à celle exposée dans le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Mouvement_conservatif#Exemple_du_pendule_pesant_simple_à_un_degré_de_liberté_«_P.P.S._lancé_dans_les_C.I._(1b_U_1a)_»|exemple du pendule pesant simple à un degré de liberté “P.P.S. lancé dans les C.I. (1b U 1a)”]] (remarque) » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|21}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » est de « l'absence de vitesse angulaire initiale <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}soit «<math>\,\vert \theta(t) \vert \ll 1\;\;\forall\;t\;</math><ref name="en radians" /> » ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être }}dans le cadre des « petites élongations angulaires » <ref name="élongations angulaires petites (ou non)" /> on a <math>\,\vert \theta(t) \vert \ll\;\;\forall\; t\;</math><ref name="en radians" /> <math>\Rightarrow</math> possibilité de D.L. <ref name="D.L."> Développement Limité.</ref> à l'ordre un en <math>\,\theta\,</math> de <math>\,\sin(\theta)\,</math> au <br>{{Al|19}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » on a <math>\,\color{transparent}{\vert \theta(t) \vert \ll\;\;\forall\; t}\;</math> <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}voisinage de <math>\,0\;</math><ref name="D.L. à l'ordre un"> Voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Théorème_de_Taylor-Young_et_développements_limités_d'une_fonction_d'une_variable_au_voisinage_d'une_de_ses_valeurs#Développements_limités_à_l'ordre_un_de_quelques_fonctions_usuelles|D.L. à l'ordre un de quelques fonctions usuelles]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref> selon <math>\;\sin(\theta) \simeq \theta\;</math><ref name="en radians" /> à l'ordre un en <math>\;\theta\;</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » on a <math>\,\color{transparent}{\vert \theta(t) \vert \ll\;\;\forall\; t}\;</math> }}d'où linéarisation de l'équation différentielle suivie par le P.P.A. <ref name="P.P.A." /> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » on a <math>\,\color{transparent}{\vert \theta(t) \vert \ll\;\;\forall\; t}\;</math> }}selon «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_O}}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\theta(t) \simeq 0\;</math>» c.-à-d. une <br>{{Al|19}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » on a <math>\,\color{transparent}{\vert \theta(t) \vert \ll\;\;\forall\; t}\;</math> selon }}équation différentielle linéaire à cœfficients constants du <br>{{Al|19}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » on a <math>\,\color{transparent}{\vert \theta(t) \vert \ll\;\;\forall\; t}\;</math> selon }}2^ème ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> avec terme du 1^er ordre et homogène. <br>{{Al|14}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » }}Le P.P.A. <ref name="P.P.A." /> est donc <u>linéarisable</u> dans le cas des « petites élongations angulaires » <ref name="élongations angulaires petites (ou non)" /> <br>{{Al|9}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » }}et, dans cette hypothèse, devient un « <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math>amorti<math>\big)\;</math>» de pulsation propre <br>{{Al|14}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » }}«<math>\;\omega_0 = \sqrt{\dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}}\;</math>» « <u>pulsation</u><math>\;\big(</math>propre<math>\big)\;</math><u>des petites élongations angulaires</u> » <ref name="élongations angulaires petites (ou non)" /> <br>{{Al|9}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » }}et de facteur d’amortissement «<math>\;\sigma\;</math>» tel que «<math>\;\dfrac{H}{J_{\Delta_O}} = 2\,\sigma\,\omega_0\;</math>» ou «<math>\;\sigma = \dfrac{H}{2\;J_{\Delta_O}\;\omega_0}</math> <br>{{Al|10}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » et de facteur d’amortissement «<math>\;\color{transparent}{\sigma}\;</math>» tel que «<math>\;\color{transparent}{J_{\Delta_O} = 2\;\sigma\;\omega_0}\;</math>» ou «<math>\;\color{transparent}{\sigma}</math> }}<math>= \dfrac{H}{2\;\sqrt{m\,g\,\mathfrak{a}\,J_{\Delta_O}}}\;</math>», <br>{{Al|14}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » }}<math>\bullet\;</math>pour «<math>\;\sigma < 1\;</math>» le régime est pseudo-périodique de pseudo-pulsation des petites <br>{{Al|14}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>pour «<math>\;\color{transparent}{\sigma < 1}\;</math>» }}oscillations «<math>\;\omega = \omega_0\;\sqrt{1 - \sigma^2}\;</math>», l’amortissement étant exponentiel <br>{{Al|14}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>pour «<math>\;\color{transparent}{\sigma < 1}\;</math>» }}en «<math>\;\exp\! \left( -\sigma\;\omega_0\;t \right)\;</math>» <ref name="même forme"> De même forme que celle établie au paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#σ_<_1_(faible_amortissement)_et_réponse_pseudo-périodique|σ < 1 (faible amortissement) et réponse pseudo-périodique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|14}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » }}<math>\bullet\;</math>pour «<math>\;\sigma = 1\;</math>» le régime est apériodique critique <ref name="même forme - bis"> De même forme que celle établie au paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#σ_=_1_(amortissement_critique)_et_réponse_apériodique_critique|σ = 1 (amortissement critique) et réponse apériodique critique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref> et <br>{{Al|14}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » }}<math>\bullet\;</math>pour «<math>\;\sigma > 1\;</math>» le régime est apériodique <ref name="même forme - ter"> De même forme que celle établie au paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#σ_>_1_(fort_amortissement)_et_réponse_apériodique|σ > 1 (fort amortissement) et réponse apériodique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. == Rappel du cas particulier : pendule pesant simple (non amorti à un degré de liberté) utilisant une tige rigide sans masse, équilibres du pendule et notion de stabilité, généralisation aux équilibres d'un solide en rotation autour d’un axe fixe ainsi que de leur stabilité ou instabilité == === Rappel du cas particulier : P.P.S.(N.A. à un degré de liberté) construit à partir d’une tige rigide sans masse et un point matériel M === {{Al|5}}Revoir le chap.<math>12</math> « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple|Loi de la quantité de mouvement : Pendule pesant simple]] » de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dans lequel on trouve, dans les paragraphes successifs suivants : * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Pendule_pesant,_description_et_cas_limite_du_pendule_pesant_simple_(P.P.S.),_conditions_initiales_induisant_un_mouvement_à_un_degré_de_liberté_avec_établissement_de_la_nature_plane_du_mouvement|la description et le cas limite du pendule pesant simple (P.P.S.), les conditions initiales induisant un mouvement à un degré de liberté avec établissement de la nature plane du mouvement]] », * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Choix,_pour_un_P.P.S._à_un_degré_de_liberté,_du_repérage_polaire_de_pôle_«_le_centre_du_mouvement_circulaire_du_P.P.S._»|le choix, pour un P.P.S. à un degré de liberté, du repérage polaire de pôle “le centre du mouvement circulaire du P.P.S.”]] », * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Mise_en_équation_d'un_P.P.S._à_un_degré_de_liberté_par_application_de_la_r.f.d.n.,_équation_différentielle_non_linéaire_du_2ème_ordre,_absence_de_solution_analytique_(d'où_nécessité_de_résolution_numérique_dans_le_cas_général)|la mise en équation d'un P.P.S. à un degré de liberté par application de la r.f.d.n. donnant une équation différentielle non linéaire du 2^ème ordre avec absence de solution analytique (et la nécessité d'une résolution numérique dans le cas général)]] » <span style="color:#ff0000;"><math>\color{red}{\big(}</math>seul ce paragraphe sera repris en utilisant le théorème du moment cinétique scalaire, tout ce qui précède et tout ce qui suit, restant inchangés<math>\color{red}{\big)}</math></span>, * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Approximation_linéaire,_dans_le_cadre_des_«_petites_élongations_angulaires_»,_du_mouvement_d'un_P.P.S._à_un_degré_de_liberté,_analogie_avec_l'oscillateur_harmonique,_période_des_«_petites_élongations_angulaires_»|l'approximation linéaire, dans le cadre des “petites élongations angulaires”, du mouvement d'un P.P.S. à un degré de liberté, son analogie avec l'oscillateur harmonique et la période des “petites élongations angulaires”]] », * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Détermination_de_l'équation_du_portrait_de_phase_(«_intégrale_1ère_du_mouvement_»)_dans_le_cas_général_du_P.P.S._à_un_degré_de_liberté|la détermination de l'équation du portrait de phase (“intégrale 1^ère du mouvement”) dans le cas général du P.P.S. à un degré de liberté]] », * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Portraits_de_phase_dans_le_cas_général_«_d'oscillations_ou_de_mouvement_révolutif_»_d'un_P.P.S._à_un_degré_de_liberté_et_dans_le_cas_particulier_des_petites_élongations_angulaires|les portraits de phase dans le cas général “d'oscillations ou de mouvement révolutif” d'un P.P.S. à un degré de liberté et dans le cas particuliers des petites élongations angulaires]] », * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#En_complément,_absence_d'isochronisme_du_P.P.S.(N.A.)_à_un_degré_de_liberté,_expression_empirique_de_«_de_Borda_»_de_la_période_dans_le_cas_général_d’oscillations|en complément, l'absence d'isochronisme du P.P.S.(N.A.) à un degré de liberté et l'expression empirique de “de Borda” de la période dans le cas général d'oscillations]] » et * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#En_complément,_«_résolution_numérique_»_de_l'équation_différentielle_d'un_P.P.S._dans_les_C.I._«_1a_»_puis_«_1b_»,_tracé_des_diagrammes_horaires_de_position_et_de_vitesse_ainsi_que_celui_des_portraits_de_phase_correspondant|en complément, la “résolution numérique” d'un P.P.S. dans les C.I. “1a” puis “1b” avec le tracé des diagrammes horaires de position et de vitesse ainsi que celui des portraits de phase correspondant]] ». {{Al|5}}Revoir aussi le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Mouvement_conservatif#Étude_énergétique_d'un_point_matériel_en_mouvement_conservatif_à_une_dimension_sur_l'exemple_du_pendule_pesant_simple_à_un_degré_de_liberté,_diagramme_d'énergies_potentielle_et_mécanique,_présence_de_deux_murs_d'énergie_potentielle_(positions_de_vitesse_nulle)_et_trajectoire_(cinétiquement)_bornée,_mouvement_périodique_et_expression_de_la_période_sous_forme_intégrale,_absence_d'isochronisme_des_oscillations|Étude énergétique d'un point matériel en mouvement conservatif à une dimension sur l'exemple du pendule pesant simple à un degré de liberté, diagramme d'énergies potentielle et mécanique, présence de deux murs d'énergie potentielle (positions de vitesse nulle) et trajectoire (cinétiquement) bornée, mouvement périodique et expression de la période sous forme intégrale, absence d'isochronisme des oscillations]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dans lequel on trouve, dans les sous paragraphes successifs suivants : * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Mouvement_conservatif#Écriture_de_l'intégrale_1ère_énergétique_du_pendule_pesant_simple_(P.P.S.)_à_un_degré_de_liberté|l'écriture de l'intégrale 1^ère énergétique du pendule pesant simple (P.P.S.) à un degré de liberté]] », * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Mouvement_conservatif#Diagramme_d'énergies_potentielle_et_mécanique_du_P.P.S._à_un_degré_de_liberté_lancé_dans_les_conditions_initiales_(C.I.)_«_1a_»|le diagramme d'énergies potentielle et mécanique du P.P.S. à un degré de liberté lancé dans les conditions initiales (C.I.) “1a”]] », * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Mouvement_conservatif#Présence_de_deux_murs_d'énergie_potentielle_:_trajectoire_du_point_matériel_cinétiquement_bornée_2|la présence de deux murs d'énergie potentielle ayant pour conséquence le caractère “cinétiquement borné” de la trajectoire du point matériel]] », * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Mouvement_conservatif#Détermination_de_la_nature_oscillatoire_du_mouvement_du_P.P.S._à_un_degré_de_liberté_«_par_diagramme_énergétique_»|la détermination de la nature oscillatoire du mouvement du P.P.S. à un degré de liberté “par diagramme énergétique”]] », * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Mouvement_conservatif#Détermination_de_la_nature_périodique_du_mouvement_du_P.P.S._à_un_degré_de_liberté_et_expression_de_la_période_sous_forme_intégrale|la détermination de la nature périodique du mouvement du P.P.S. à un degré de liberté et l'expression de la période sous forme intégrale]] », * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Mouvement_conservatif#Absence_d'isochronisme_des_oscillations|l'absence d'isochronisme des oscillations]] », * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Mouvement_conservatif#En_complément_:_évaluation_numérique_de_la_période_et_comparaison_avec_l'«_expression_approchée_de_de_Borda_»|en complément, l'évaluation numérique de la période et la comparaison avec l'“expression approchée de de Borda”]] », * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Mouvement_conservatif#Retour_sur_les_petites_élongations_angulaires_d'un_P.P.S._à_un_degré_de_liberté_en_termes_de_diagramme_d'énergies_potentielle_et_mécanique|le retour sur les petites élongations angulaires d'un P.P.S. à un degré de liberté en terme de diagramme d'énergies potentielle et mécanique]] » et * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Mouvement_conservatif#Étude_d'un_P.P.S._à_un_degré_de_liberté_lancé_dans_des_C.I._«_1b_»_par_diagramme_d'énergies_potentielle_et_mécanique|l'étude énergétique d'un P.P.S. à un degré de liberté dans des C.I. “1b” par diagramme d'énergies potentielle et mécanique]] » permettant de distinguer <br><math>\;\succ\;</math>« [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Mouvement_conservatif#Condition(s)_pour_que_le_mouvement_du_P.P.S.N.A._soit_oscillatoire|les conditions pour que le mouvement du P.P.S.N.A. soit oscillatoire]] », <br><math>\;\succ\;</math>« [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Mouvement_conservatif#Condition(s)_pour_que_le_mouvement_du_P.P.S.N.A._soit_révolutif|les conditions pour que le mouvement du P.P.S.N.A. soit révolutif]] » et <br><math>\;\succ\;</math>« [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Mouvement_conservatif#Condition(s)_pour_que_le_mouvement_du_P.P.S.N.A._s'arrête_en_une_position_d'équilibre_instable|les conditions pour que le mouvement du P.P.S.N.A. s'arrête en une position d'équilibre instable]] ». {{Al|5}}<u>Remarque</u> : tout ayant été traité, nous ne reprendrons que la mise en équation que l’on fait ici par application du théorème du moment cinétique scalaire à <math>\;M</math>. === Détermination de l’équation différentielle en θ(t) par application du théorème du moment cinétique scalaire au point matériel M dans le cas d’un P.P.S.N.A. === [[File:Pendule pesant simple non amorti - repérage et forces appliquées.png|thumb|300px|Schéma d'un P.P.S.N.A. <ref name="P.P.S.N.A."> Pendule Pesant Simple Non Amorti.</ref> à un degré de liberté avec repérage cylindro-polaire d'axe <math>\,\Delta_O\;</math><ref name="repérage cylindro-polaire"> Voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Divers_repérages_d'un_point_dans_l'espace#Repérage_cylindro-polaire_(ou_cylindrique)_d'un_point_dans_l'espace|repérage cylindro-polaire (ou cylindrique) d'un point dans l'espace]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>{{,}} <ref name="orientation de l'axe DeltaO"> L'axe <math>\,\Delta_O\,</math> étant orienté par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_{\!\Delta_O}\,</math> sortant du plan de la figure.</ref> et représentation des deux forces s'appliquant sur le point <math>\,M\,</math> du P.P.S.N.A. <ref name="P.P.S.N.A." />]] {{Al|5}}Le mouvement se faisant dans le plan vertical contenant initialement la tige, plus exactement, en notant <math>\,\Delta_O\,</math> l'axe passant par <math>\,O\,</math> et <math>\,\perp\,</math> au plan vertical initial, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le mouvement se faisant dans le plan vertical contenant initialement la tige, plus exactement, }}le mouvement de <math>\,M\,</math> est circulaire d'axe <math>\,\Delta_O</math> ; <br>{{Al|5}}il devient alors intéressant d'utiliser le repérage cylindro-polaire d'axe <math>\,\Delta_O\;</math><ref name="repérage cylindro-polaire" />{{,}} <ref name="orientation de l'axe DeltaO" /> pour repérer le point <math>\,M\,</math> ou, le repérage se faisant dans un plan, <br>{{Al|5}}{{Transparent|il devient alors intéressant }}d'utiliser le repérage polaire de pôle <math>\,O\,</math> et d'axe polaire <math>\,\overrightarrow{Oz}</math> <math>\,\big(</math>le plan étant orienté par <math>\,\vec{u}_{\Delta_O}\big)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|il devient alors intéressant d'utiliser }}les coordonnées polaires de <math>\,M\,</math> étant «<math>\;\left( \mathit{l}\,,\, \theta \right)\;</math>» <ref name="définition de l"> <math>\,\mathit{l}\,</math> étant la longueur de la tige.</ref> et la base polaire du plan liée au point <math>\,M\,</math> «<math>\;\left( \vec{u}_r\,,\, \vec{u}_\theta \right)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|il devient alors intéressant d'utiliser les coordonnées polaires de <math>\,\color{transparent}{M}\,</math> étant «<math>\;\color{transparent}{\left( \mathit{l}\,,\right.}</math> }}<math>\theta\,</math> définissant l'angle polaire de <math>\,M</math>, angle orienté par <math>\,\vec{u}_{\!\Delta_O}</math>, voir ci-contre. {{Al|5}}Nous nous proposons de retrouver l'équation différentielle du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> du P.P.S.N.A. <ref name="P.P.S.N.A." /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Nous nous proposons de retrouver }}en appliquant le théorème du moment cinétique scalaire au point <math>\;M\;</math> dans le référentiel d'étude galiléen <math>\;\mathcal{R}\;</math><ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un point en mouvement circulaire"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Théorèmes_des_moments_cinétiques_relativement_à_un_point_ou_un_axe_fixes#Cas_où_M_décrit,_dans_le_référentiel_d'étude_galiléen,_un_mouvement_circulaire_d'axe_«_Δ_»,_de_rayon_R_et_de_vitesse_angulaire_instantanée_donnée|Cas om M décrit, dans le référentiel d'étude galiléen, un mouvement circulaire d'axe Δ, de rayon R et de vitesse angulaire instantanée donnée]] » du chap.<math>5</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Nous nous proposons de retrouver }}le point <math>\,M\,</math> est soumis à deux forces : <math>\bullet\;</math>une force à distance « le poids de <math>\,M\;</math>» «<math>\;m\;\vec{g}\;</math>» de moment scalaire par rapport à l'axe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Nous nous proposons de retrouver le point <math>\,\color{transparent}{M}\,</math> est soumis à deux forces : <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>une force à distance }}de rotation <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = \left[ \overrightarrow{OM}(t) \wedge m\;\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_O}</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Nous nous proposons de retrouver le point <math>\,\color{transparent}{M}\,</math> est soumis à deux forces : <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>une force à distance de rotation <math>\,\color{transparent}{\Delta_O}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathit{l}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="détermination directe du moment scalaire du poids" />{{,}} <ref> Il convient bien sûr de remplacer <math>\,\mathfrak{a} = \Big\Vert \overrightarrow{OG}(t) \Big\Vert\,</math> par <math>\,\mathit{l} = \Big\Vert \overrightarrow{OM}(t) \Big\Vert\,</math> dès qu'on applique les résultats d'un P.P.N.A. à un P.P.S.N.A..</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Nous nous proposons de retrouver le point <math>\,\color{transparent}{M}\,</math> est soumis à deux forces : }}<math>\bullet\;</math>une force de contact « la tension de la tige » «<math>\;\vec{T}(t)\;</math>» <ref> A priori centripète mais pouvant être centrifuge pour des élongations angulaires obtus.</ref> de moment scalaire par rapport <br>{{Al|5}}{{Transparent|Nous nous proposons de retrouver le point <math>\,\color{transparent}{M}\,</math> est soumis à deux forces : <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>une force de contact }}à l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{T} \right](t) = \left[ \overrightarrow{OM}(t) \wedge \vec{T}(t) \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_O} = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire de T"> Le moment vectoriel de <math>\,T(t)\,</math> relativement à <math>\,O\,</math> étant nul car <math>\,\vec{T}(t)\,</math> central <math>\,\big(</math>c.-à-d. colinéaire à <math>\,\overrightarrow{OM}(t)\big)\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\! \left[ \vec{T} \right](t) = \overrightarrow{OM}(t) \wedge \vec{T}(t) = \vec{0}\,</math> d'où <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{T} \right](t) = \overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\! \left[ \vec{T} \right](t) \cdot \vec{u}_{\Delta_O} = 0</math> ; <br>{{Al|3}}on peut aussi déterminer directement le moment scalaire de <math>\,T(t)\,</math> relativement à <math>\,\Delta_O\,</math> en effet, dans la mesure où la direction de <math>\,T(t)\,</math> coupe l’axe <math>\,\Delta_O</math>, le bras de levier de <math>\,T(t)\,</math> est nul et par suite la valeur absolue du moment scalaire s'obtenant en multipliant <math>\,\Vert \vec{T}(t) \Vert\,</math> finie par le bras de levier de la force, on en déduit <math>\,\Big\vert \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{T} \right](t) \Big\vert = 0\,</math> d'où <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{T} \right](t) = 0</math>.</ref> ; <br>{{Al|5}}l'application du théorème du moment cinétique scalaire au P.P.S.N.A. <ref name="P.P.S.N.A." /> en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O</math>, fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un point en mouvement circulaire" />, conduit à <br>{{Al|5}}{{Transparent|l'application du théorème du moment cinétique scalaire }}«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) + \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{T}(t) \right] = J_{\Delta_O}(M)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>», avec <math>\,\ddot{\theta}(t)\,</math> accélération angulaire à la daue <math>\,t\,</math> et <br>{{Al|2}}{{Transparent|l'application du théorème du moment cinétique scalaire «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) + \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{T}(t) \right] = J_{\Delta_O}(M)\;\ddot{\theta}(t)}\;</math>», avec }}«<math>\;J_{\Delta_O}(M) = m\;\mathit{l}^{,2}\,</math> le moment d'inertie de <math>\,M\,\left( m \right)\,</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|l'application du théorème du moment cinétique scalaire «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) + \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{T}(t) \right] = J_{\Delta_O}(M)\;\ddot{\theta}(t)}\;</math>», avec «<math>\;\color{transparent}{J_{\Delta_O}(M) = m\;\mathit{l}^{,2}}\,</math> }}relativement à <math>\,\Delta_O\;</math>» <math>\,\big(</math>où <math>\,\mathit{l}\,</math> est la longueur de la tige<math>\big)</math>, soit encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|l'application du théorème du moment cinétique scalaire }}«<math>\;-m\;g\;\mathit{l}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right] + 0 = m\;\mathit{l}^{\,2}\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» et finalement, en normalisant l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|l'application du théorème du moment cinétique scalaire }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{g}{\mathit{l}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>» c.-à-d. une équation différentielle non linéaire du 2^ème ordre en <math>\,\theta(t)</math>, sans terme du 1^er ordre, homogène <br>{{Al|7}}{{Transparent|l'application du théorème du moment cinétique scalaire «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + g\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>» c.-à-d. }}caractérisant un <u>oscillateur non linéaire</u> <ref name="définition non énergétique d'un oscillateur non linéaire" /> dans la mesure où le mouvement reste oscillatoire. === Rappel : équilibres du pendule pesant simple et notion de stabilité === {{Al|5}}Revoir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Équilibre_et_stabilité#Définition_de_positions_d'équilibre_sur_l'exemple_du_pendule_pesant_simple_à_un_degré_de_liberté_(P.P.S.),_distinction_entre_«_forces_(ou_composantes_de_forces)_causes_de_modification_du_mouvement_»_et_«_forces_(ou_composantes_de_forces)_sans_influence_sur_une_modification_éventuelle_du_mouvement_»|définition de positions d'équilibre sur l'exemple du pendule pesant simple à un degré de liberté (P.P.S.), distinction entre “forces (ou composantes de forces) causes de modification du mouvement” et “forces (ou composantes de forces) sans influence sur une modification éventuelle du mouvement”]] » du chap.<math>18</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » pour la notion d'équilibre d'un P.P.S. <ref name="P.P.S."> [[w:Pendule_simple|Pendule Pesant Simple]].</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Revoir }}le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Équilibre_et_stabilité#Définition_de_la_stabilité_ou_de_l'instabilité_d'un_équilibre_de_point_matériel_à_un_degré_de_liberté_en_terme_de_force,_exemple_du_P.P.S._à_un_degré_de_liberté|définition de la stabilité ou de l'instabilité d'un équilibre de point matériel à un degré de liberté en terme de force, exemple du P.P.S. à un degré de liberté]] » du même chapitre de la même leçon pour la notion de stabilité <math>\;\big(</math>ou d'instabilité<math>\big)\;</math> d'un P.P.S. <ref name="P.P.S." />. {{Al|5}}<u>Retour sur la détermination des positions d'équilibre d'un P.P.S.</u> <ref name="P.P.S." /> : les abscisses angulaires d’équilibre étant les zéros de la « force motrice » <math>\big[</math>ici « composante de <math>\,m\;\vec{g}\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\theta</math>, <math>F(\theta) = -m\;g\; \sin(\theta)\;</math>»<math>\big]</math>, <br>{{Al|13}}{{Transparent|Retour sur la détermination des positions d'équilibre d'un P.P.S. : }}l’équation différentielle ayant été obtenue par «<math>\;F\! \left[ \theta(t) \right] = m\; a_\theta(t)\;</math>» et l’équilibre nécessitant «<math>\;a_\theta(t) = 0\;\; \forall\; t\;</math>» ; <br>{{Al|13}}{{Transparent|Retour sur la détermination des positions d'équilibre d'un P.P.S. : }}avec l’équation différentielle déterminée par «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = J_{\Delta_O}(M)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» <math>\big\{</math>«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)</math>, moment scalaire moteur »<math>\big\},</math> et <br>{{Al|13}}{{Transparent|Retour sur la détermination des positions d'équilibre d'un P.P.S. : avec }}l’équilibre nécessitant «<math>\;\ddot{\theta}(t) = 0\;\; \forall\; t\;</math>», les abscisses angulaires d’équilibre sont aussi les zéros du « moment scalaire moteur » <br>{{Al|13}}{{Transparent|Retour sur la détermination des positions d'équilibre d'un P.P.S. : }}d'où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,m\,\vec{g}}(\theta_{\text{éq}}) = 0\;</math>» ou «<math>\;-m\;g\; \mathit{l}\;\sin(\theta_{\text{éq}}) = 0\;</math>» soit finalement «<math>\;\theta_{\text{éq}} = 0</math> ou <math>\pi\;</math>» <ref> En se limitant aux déterminations principales c.-à-d. <math>\,\in \left] -\pi\,,\, +\pi \right]</math>.</ref>. {{Al|5}}<u>Retour sur la détermination de la stabilité</u><math>\;\big(</math><u>ou de l'instabilité</u><math>\big)\;</math><u>des équilibres d'un P.P.S.</u> <ref name="P.P.S." /> : au voisinage d’un équilibre stable, la force motrice étant « de rappel » <math>\big[</math>ici « au voisinage de <math>\,\theta_{\text{éq}} = 0</math>, <br>{{Al|13}}{{Transparent|Retour sur la détermination de la stabilité<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>ou de l'instabilité<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>des équilibres d'un P.P.S. : au voisinage d’un équilibre stable, la force motrice étant « de rappel » <math>\color{transparent}{\big[}</math>}}<math>F(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) = -m\;g\; \sin(\varepsilon) \simeq</math> <br>{{Al|13}}{{Transparent|Retour sur la détermination de la stabilité<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>ou de l'instabilité<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>des équilibres d'un P.P.S. : au voisinage d’un équilibre stable, la force motrice étant « de rappel » <math>\color{transparent}{\big[}</math>}}<math>-m\;g\;\varepsilon\;</math>» de rappel<math>\big]</math>, <br>{{Al|13}}{{Transparent|Retour sur la détermination de la stabilité<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>ou de l'instabilité<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>des équilibres d'un P.P.S. : }}au voisinage d'un équilibre instable, la force motrice étant « répulsive » <math>\big[</math>ici « au voisinage de <math>\,\theta_{\text{éq}} = \pi</math>, <br>{{Al|13}}{{Transparent|Retour sur la détermination de la stabilité<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>ou de l'instabilité<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>des équilibres d'un P.P.S. : au voisinage d’un équilibre instable, la force motrice étant « répulsive » <math>\color{transparent}{\big[}</math>}}<math>F(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) = m\;g\; \sin(\varepsilon) \simeq m\;g\;\varepsilon\;</math>» <br>{{Al|13}}{{Transparent|Retour sur la détermination de la stabilité<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>ou de l'instabilité<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>des équilibres d'un P.P.S. : au voisinage d’un équilibre instable, la force motrice étant « répulsive » <math>\color{transparent}{\big[}</math>}}répulsive<math>\big]</math> ; <br>{{Al|13}}{{Transparent|Retour sur la détermination de la stabilité<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>ou de l'instabilité<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>des équilibres d'un P.P.S. : }}ici le moment scalaire moteur «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right] = -m\;g\; \mathit{l}\;\sin(\theta)\,</math> lié à la force motrice <math>\,F(\theta) = -m\;g\; \sin(\theta)\;</math>» <br>{{Al|13}}{{Transparent|Retour sur la détermination de la stabilité<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>ou de l'instabilité<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>des équilibres d'un P.P.S. : ici le moment scalaire moteur «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right] = -m\;g\; \mathit{l}\;\sin(\theta)}\,</math> lié }}par «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right] = F(\theta)\;\mathit{l}\;</math>» nous induisons <br>{{Al|13}}{{Transparent|Retour sur la détermination de la stabilité<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>ou de l'instabilité<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>des équilibres d'un P.P.S. : }}la propriété <math>\bullet\;</math>si le moment scalaire moteur est « de rappel » au voisinage d'un équilibre, ce dernier est stable et <br>{{Al|13}}{{Transparent|Retour sur la détermination de la stabilité<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>ou de l'instabilité<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>des équilibres d'un P.P.S. : la propriété }}<math>\bullet\;</math>si le moment scalaire moteur est « répulsif » au voisinage d'un équilibre, ce dernier est instable. {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Ce qui a été rappelé ci-dessus est la détermination algébrique de la stabilité <math>\,\big(</math>ou de l'instabilité<math>\big)</math> des équilibres d'un P.P.S. <ref name="P.P.S." />, mais il existe aussi <br>{{Al|2}}{{Transparent|Remarque : Ce qui a été rappelé ci-dessus est }}une détermination graphique <ref name="détemination graphique de la stabilité ou non des équilibres d'un P.P.S."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Équilibre_et_stabilité#Méthode_graphique_de_vérification_de_la_stabilité_ou_de_l'instabilité_des_équilibres_du_P.P.S._à_un_degré_de_liberté|méthode graphique de vérification de la stabilité ou de l'instabilité des équilibres du P.P.S. à un degré de liberté]] » du chap.<math>18</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> qui peut être restituée en remplaçant la « composante orthoradiale de force motrice » par le « moment scalaire moteur » <math>\ldots</math> === En complément : généralisation à la détermination des positions d’équilibre d’un solide en rotation autour d’un axe fixe ainsi que de leur stabilité ou instabilité en terme de moment scalaire moteur === {{Al|5}}<u>Détermination des positions d'équilibre d'un solide en rotation autour d’un axe fixe</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Détermination des positions d'équilibre }}Il y a deux types de moments scalaires agissant sur un solide en rotation : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Détermination des positions d'équilibre Il y a deux types de moments scalaires }}<math>\bullet\;</math>ceux des forces « motrices » <ref name="moteur"> On rappelle que « moteur » signifie ici « cause de modification de mouvement », la force pouvant en fait accélérer ou freiner le solide.</ref> qui sont les causes de modification du moment cinétique scalaire <br>{{Al|13}}{{Transparent|Détermination des positions d'équilibre Il y a deux types de moments scalaires <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ceux des forces « motrices » }}<math>\big[</math>correspondant à des actions ou des réactions tangentielles au mouvement<math>\big]</math>, <br>{{Al|13}}{{Transparent|Détermination des positions d'équilibre Il y a deux types de moments scalaires <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ceux des forces « motrices » }}ces moments scalaires étant qualifiés de « moteurs » et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Détermination des positions d'équilibre Il y a deux types de moments scalaires }}<math>\bullet\;</math>ceux des forces « non motrices » qui sont <math>\,\perp\,</math> au mouvement <math>\big[</math>correspondant aussi bien à des actions qu'à des réactions <br>{{Al|5}}{{Transparent|Détermination des positions d'équilibre Il y a deux types de moments scalaires <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ceux des forces « non motrices » qui sont <math>\,\color{transparent}{\perp}\,</math> au mouvement <math>\color{transparent}{\big[}</math>}}pourvues qu'elles soient <math>\,\perp\,</math> au mouvement<math>\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Détermination des positions d'équilibre Il y a deux types de moments scalaires <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ceux des forces « non motrices » }}les moments scalaires de ces forces étant en fait nuls ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Détermination des positions d'équilibre }}soit «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)\;</math>» le « moment scalaire moteur agissant sur le solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> et ne s’annulant pas avec le mouvement » <ref> On élimine ainsi le moment scalaire des forces de frottement fluide.</ref>{{,}} <ref> En fait il s'agit du moment scalaire résultant moteur s'il y a plusieurs moments scalaires moteurs ne s'annulant pas avec le mouvement.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Détermination des positions d'équilibre }}les abscisses angulaires «<math>\;\theta_{\text{éq}}\;</math>» des positions d’équilibre du solide sont les zéros de «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)\;</math>» à savoir les valeurs «<math>\;\theta_{\text{éq}}\,</math> telles que <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}}) = 0\;</math>». {{Al|5}}<u>Détermination</u><math>\;\big(</math><u>algébrique</u><math>\big)\;</math><u>de la stabilité</u><math>\;\big(</math><u>ou de l'instabilité</u><math>\big)\;</math><u>des équilibres du solide précédent en rotation autour d’un axe fixe</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>}}pour étudier la stabilité <math>\,\big(</math>ou l'instabilité<math>\big)\,</math> de l’équilibre repéré par «<math>\;\theta_{\text{éq}}\,</math> telle que <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}}) = 0\;</math>», <br>{{Al|6}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité }}faire un D.L. <ref name="D.L." /> à l’ordre le plus bas non nul du « moment scalaire moteur <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)\;</math>» au voisinage de la position d’équilibre «<math>\;\theta_{\text{éq}}\;</math>» et <br>{{Al|6}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité }}conclure selon les résultats suivants : <br>{{Al|6}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure }}<math>\bullet\;</math><u>cas usuel</u> «<math>\;\dfrac{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta}(\theta_{\text{éq}}) \neq 0\;</math>», le développement de <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)\,</math> au voisinage de <math>\,\theta_{\text{éq}}\,</math> est limité à l'ordre un <br>{{Al|6}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas usuel }}«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) \simeq \dfrac{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta}(\theta_{\text{éq}})\;\varepsilon\;</math>» <math>\blacktriangleright\;</math>si «<math>\;\dfrac{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta}(\theta_{\text{éq}})\,</math> est <math>\,< 0\;</math>» <ref> Cas du P.P.S. à un degré de liberté pour l'équilibre repéré par <math>\,\theta_{\text{éq},\,1} \equiv 0\!\!\pmod{2\;\pi}</math>, la dérivée de <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta) = -m\;g\;\mathit{l}\;\sin(\theta)\,</math> par rapport à la variable de position conduisant à <math>\,\dfrac{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta}(\theta) =</math> <math>-m\;g\;\mathit{l}\;\cos(\theta)\,</math> et par suite à <math>\,\dfrac{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta}(\theta_{\text{éq},\,1}) = -m\;g\;\mathit{l}\; <\; 0</math>.</ref>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)\,</math> est « un moment scalaire <u>de rappel</u> » et <br>{{Al|18}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas usuel «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) \simeq d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\;\varepsilon}\;</math>» <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{< 0}\;</math>», }}l'équilibre est « <u>stable</u> », <br>{{Al|9}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas usuel «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) \simeq d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\;\varepsilon}\;</math>» }}<math>\blacktriangleright\;</math>si «<math>\;\dfrac{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta}(\theta_{\text{éq}})\;</math> est <math>\;> 0\;</math>» <ref> Cas du P.P.S. à un degré de liberté pour l'équilibre repéré par <math>\;\theta_{\text{éq},\,2} \equiv \pi\!\!\pmod{2\;\pi}</math>, la dérivée de <math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta) = -m\;g\;\mathit{l}\;\sin(\theta)\;</math> par rapport à la variable de position conduisant à <math>\;\dfrac{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta}(\theta) =</math> <math>-m\;g\;\mathit{l}\;\cos(\theta)\;</math> et par suite à <math>\;\dfrac{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta}(\theta_{\text{éq},\,2}) = m\;g\;\mathit{l}\; >\; 0</math>.</ref>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)\,</math> est « un moment scalaire <u>répulsif</u> » et <br>{{Al|20}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas usuel «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) \simeq d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\;\varepsilon}\;</math>» <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{> 0}\;</math>», }}l'équilibre est « <u>instable</u> », <br>{{Al|6}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure }}<math>\bullet\;</math><u>cas peu fréquent</u> «<math>\;\dfrac{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta}(\theta_{\text{éq}}) = 0\;</math>», le développement de <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)\,</math> au voisinage de <math>\,\theta_{\text{éq}}\,</math> est limité à l'ordre deux ou plus <br>{{Al|6}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas peu fréquent «<math>\;\color{transparent}{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}}) = 0}\;</math>», }}<math>\succ\;</math>si «<math>\;\dfrac{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^2}(\theta_{\text{éq}})\,\neq 0\;</math>», développement de <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)\,</math> au voisinage de <math>\,\theta_{\text{éq}}\,</math> limité à l'ordre deux <br>{{Al|8}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas peu fréquent «<math>\;\color{transparent}{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}}) = 0}\;</math>», <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\,\neq 0}\;</math>», }}«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) \simeq \dfrac{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^2}(\theta_{\text{éq}})\;\dfrac{\varepsilon^2}{2}\;</math>» de signe de <math>\,\dfrac{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^2}(\theta_{\text{éq}})</math>, <br>{{Al|8}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas peu fréquent «<math>\;\color{transparent}{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}}) = 0}\;</math>», <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\,\neq 0}\;</math>», }}l'équilibre est donc « <u>globalement instable</u> » <ref> En effet «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)\,</math> étant toujours du signe de <math>\,\dfrac{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^2}(\theta_{\text{éq}})\,</math> quel que soit le signe de <math>\,\varepsilon\;</math>», cela correspond à un équilibre stable d'un côté et instable de l'autre, plus précisément <br>{{Al|3}}<math>\bullet\;</math>pour <math>\,\dfrac{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^2}(\theta_{\text{éq}})\,>\, 0\,</math> et <math>\,\varepsilon < 0</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) \,>\, 0\,</math> agit pour ramener le solide vers sa position d'équilibre, l'équilibre étant donc localement stable mais le solide dépassant la position d'équilibre, alors <math>\,\varepsilon\,</math> devient <math>\,> 0\,</math> avec <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon)\,</math> restant <math>\,> 0\,</math> d'où l'équilibre devenant localement instable, <br>{{Al|3}}<math>\bullet\;</math>pour <math>\,\dfrac{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^2}(\theta_{\text{éq}})\,>\, 0\,</math> et <math>\,\varepsilon > 0</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) \,>\, 0\,</math> agit pour éloigner le solide de sa position d'équilibre, l'équilibre étant donc localement instable, <br>{{Al|3}}<math>\bullet\;</math>pour <math>\,\dfrac{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^2}(\theta_{\text{éq}})\,<\, 0\,</math> et <math>\,\varepsilon < 0</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) \,<\, 0\,</math> agit pour éloigner le solide de sa position d'équilibre, l'équilibre étant donc localement instable, <br>{{Al|3}}<math>\bullet\;</math>pour <math>\,\dfrac{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^2}(\theta_{\text{éq}})\,<\, 0\,</math> et <math>\,\varepsilon > 0</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) \,<\, 0\,</math> agit pour ramener le solide vers sa position d'équilibre, l'équilibre étant donc localement stable, mais le solide dépassant la position d'équilibre, alors <math>\,\varepsilon\,</math> devient <math>\,< 0\,</math> avec <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon)\,</math> restant <math>\,< 0\,</math> d'où l'équilibre devenant localement instable.</ref>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas peu fréquent «<math>\;\color{transparent}{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}}) = 0}\;</math>», }}<math>\succ\;</math>si «<math>\;\dfrac{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^2}(\theta_{\text{éq}})\,= 0\,</math> et <math>\,\dfrac{d^3 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^3}(\theta_{\text{éq}})\;\neq 0\;</math>», développement de <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)\,</math> au voisinage de <br>{{Al|10}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas peu fréquent «<math>\;\color{transparent}{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}}) = 0}\;</math>», <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\,= 0}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{d^3 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\;\neq 0}\;</math>», développement de }}<math>\,\theta_{\text{éq}}\,</math> limité à l'ordre trois <br>{{Al|10}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas peu fréquent «<math>\;\color{transparent}{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}}) = 0}\;</math>», <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\,= 0}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{d^3 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\;\neq 0}\;</math>», }}«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) \simeq \dfrac{d^3 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^3}(\theta_{\text{éq}})\;\dfrac{\varepsilon^3}{6}\;</math>», <br>{{Al|8}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas peu fréquent «<math>\;\color{transparent}{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}}) = 0}\;</math>», <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\,= 0}\,</math> }}<math>\blacktriangleright\;</math>si «<math>\;\dfrac{d^3 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^3}(\theta_{\text{éq}})\,< 0\;</math>», <math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)</math> « moment scalaire <u>de rappel</u> » et <br>{{Al|10}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas peu fréquent «<math>\;\color{transparent}{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}}) = 0}\;</math>», <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\,= 0}\,</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d^3 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\,< 0}\;</math>», }}équilibre « <u>stable</u> », <br>{{Al|8}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas peu fréquent «<math>\;\color{transparent}{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}}) = 0}\;</math>», <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\,= 0}\,</math> }}<math>\blacktriangleright\;</math>si «<math>\;\dfrac{d^3 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^3}(\theta_{\text{éq}})\,> 0\;</math>», <math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)</math> « moment scalaire <u>répulsif</u> » et <br>{{Al|10}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas peu fréquent «<math>\;\color{transparent}{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}}) = 0}\;</math>», <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\,= 0}\,</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d^3 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\,> 0}\;</math>», }}équilibre « <u>instable</u> », <br>{{Al|6}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure }}<math>\bullet\;</math><u>cas inexistant en pratique</u> <ref> Mais qui, en théorie, pourrait exister.</ref> «<math>\;\dfrac{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta}(\theta_{\text{éq}}) = 0</math>, <math>\,\dfrac{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^2}(\theta_{\text{éq}}) = 0\,</math> et <math>\,\dfrac{d^3 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^3}(\theta_{\text{éq}}) = 0\;</math>», développement de <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)\,</math> au voisinage <br>{{Al|19}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas inexistant en pratique «<math>\;\color{transparent}{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}}) = 0}</math>, <math>\,\color{transparent}{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}}) = 0}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{d^3 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}}) = 0}\;</math>», }}de <math>\,\theta_{\text{éq}}\,</math> limité à l'ordre quatre ou plus <br>{{Al|13}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas inexistant en pratique }}<math>\succ\;</math>si «<math>\;\dfrac{d^4 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^4}(\theta_{\text{éq}})\,\neq 0\;</math>» le développement de <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)\,</math> au voisinage de <math>\,\theta_{\text{éq}}\,</math> est limité à l'ordre quatre <br>{{Al|15}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas inexistant en pratique <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d^4 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\,\neq 0}\;</math>» }}«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) \simeq \dfrac{d^4 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^4}(\theta_{\text{éq}})\;\dfrac{\varepsilon^4}{24}\;</math>» de signe de <math>\,\dfrac{d^4 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^4}(\theta_{\text{éq}})</math>, <br>{{Al|15}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas inexistant en pratique <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d^4 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\,\neq 0}\;</math>» }}l'quilibre est donc « <u>globalement instable</u> » <ref> En effet «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)\,</math> étant toujours du signe de <math>\,\dfrac{d^4 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^4}(\theta_{\text{éq}})\,</math> quel que soit le signe de <math>\,\varepsilon\;</math>», cela correspond à un équilibre stable d'un côté et instable de l'autre, plus précisément <br>{{Al|3}}<math>\bullet\;</math>pour <math>\,\dfrac{d^4 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^4}(\theta_{\text{éq}})\,>\, 0\,</math> et <math>\,\varepsilon < 0</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) \,>\, 0\,</math> agit pour ramener le solide vers sa position d'équilibre, l'équilibre étant donc localement stable mais le solide dépassant la position d'équilibre, alors <math>\,\varepsilon\,</math> devient <math>\,> 0\,</math> avec <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon)\,</math> restant <math>\,> 0\,</math> d'où l'équilibre devenant localement instable, <br>{{Al|3}}<math>\bullet\;</math>pour <math>\,\dfrac{d^4 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^4}(\theta_{\text{éq}})\,>\, 0\,</math> et <math>\,\varepsilon > 0</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) \,>\, 0\,</math> agit pour éloigner le solide de sa position d'équilibre, l'équilibre étant donc localement instable, <br>{{Al|3}}<math>\bullet\;</math>pour <math>\,\dfrac{d^4 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^4}(\theta_{\text{éq}})\,<\, 0\,</math> et <math>\,\varepsilon < 0</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) \,<\, 0\,</math> agit pour éloigner le solide de sa position d'équilibre, l'équilibre étant donc localement instable, <br>{{Al|3}}<math>\bullet\;</math>pour <math>\,\dfrac{d^4 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^4}(\theta_{\text{éq}})\,<\, 0\,</math> et <math>\,\varepsilon > 0</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) \,<\, 0\,</math> agit pour ramener le solide vers sa position d'équilibre, l'équilibre étant donc localement stable, mais le solide dépassant la position d'équilibre, alors <math>\,\varepsilon\,</math> devient <math>\,< 0\,</math> avec <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon)\,</math> restant <math>\,< 0\,</math> d'où l'équilibre devenant localement instable.</ref>, <br>{{Al|13}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas inexistant en pratique }}<math>\succ\;</math>si «<math>\;\dfrac{d^4 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^4}(\theta_{\text{éq}})\,= 0\,</math> et <math>\,\dfrac{d^5 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^5}(\theta_{\text{éq}})\;\neq 0\;</math>», le développement de <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)\,</math> au voisinage de <math>\,\theta_{\text{éq}}\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas inexistant en pratique <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d^4 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\,= 0}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{d^5 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\;\neq 0}\;</math>», le développement de <math>\,\color{transparent}{\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)}\,</math> }}est limité à l'ordre cinq <br>{{Al|17}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas inexistant en pratique <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d^4 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\,= 0}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{d^5 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\;\neq 0}\;</math>», }}«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) \simeq \dfrac{d^5 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^5}(\theta_{\text{éq}})\;\dfrac{\varepsilon^5}{120}\;</math>», soit <br>{{Al|17}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas inexistant en pratique <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d^4 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\,= 0}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{d^5 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\;\neq 0}\;</math>», }}un équilibre « <u>stable</u> pour <math>\,\dfrac{d^5 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^5}(\theta_{\text{éq}})\, <\, 0\;</math>» et <br>{{Al|17}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas inexistant en pratique <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d^4 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\,= 0}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{d^5 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\;\neq 0}\;</math>», }}un équilibre « <u>instable</u> pour <math>\,\dfrac{d^5 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^5}(\theta_{\text{éq}})\, >\, 0\;</math>». == Rappel du cas particulier : pendule pesant simple (non amorti à un degré de liberté) utilisant un fil idéal, détermination de la tension du fil et conditions de lancement pour que le fil reste tendu == [[File:Pendule pesant simple - repérage et forces appliquées - bis.png|thumb|300px|Schéma d'un P.P.S.N.A. <ref name="P.P.S.N.A." /> à un degré de liberté lancé dans les C.I. <ref name="C.I." /> <math>\;1\mathfrak{a} \cup 1\mathfrak{b}\;</math><ref name="C.I. 1a ou 1b" />, le point <math>\,M\,</math> du {{Nobr|P.P.S.N.A. <ref name="P.P.S.N.A." />}} à fil idéal <ref name="fil idéal"> C.-à-d. inextensible et sans masse.</ref> supposé tendu ayant un mouvement circulaire d'axe <math>\,\Delta\,</math> passant par <math>\,O\,</math> avec repérage polaire de pôle <math>\,O</math> <math>\,\big(</math>et d'axe <math>\,\Delta\big)\,</math> de <math>\,M\,</math> et représentation des deux forces s'appliquant sur lui]] {{Al|5}}Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Mouvement_conservatif#2ème_additif_:_«_dans_le_cas_où_le_P.P.S._est_constitué_d'un_fil_idéal_se_substituant_à_la_tige_rigide,_valider_la_condition_de_tension_du_fil_»|2^ème additif : “dans le cas où le P.P.S. est constitué d'un fil idéal se substituant à la tige rigide, valider la condition de tension du fil”]] » <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe }}du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] », <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe }}nous rappelons les principaux résultats ci-dessous : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons }}Après utilisation successive de la projection sur <math>\,\vec{u}_r\,</math> de la r.f.d.n. <ref name="r.f.d.n."> Relation Fondamentale de la Dynamique Newtonienne.</ref> appliquée à <math>\,M\,</math> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\overline{T}(t) = \vec{T}(t) \cdot \vec{u}_r</math> <br>{{Al|13}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons Après utilisation successive de la projection sur <math>\,\color{transparent}{\vec{u}_r}\,</math> de la r.f.d.n. appliquée à <math>\,\color{transparent}{M}\,</math> <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{transparent}{\overline{T}(t)}</math> }}<math>= -m\, \left\lbrace \mathit{l}\,\dot{\theta}^2\!(t) + g\,\cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <br>{{Al|2}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons Après utilisation successive}}et de l'intégrale 1^ère énergétique de <math>\,M\,</math> «<math>\;\dfrac{1}{2}\;m\;\mathit{l}^{\,2}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\; \mathit{l}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace = E_{m,\,0}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons Après utilisation successive }}nous avons trouvé, pour composante du vecteur tension du fil <math>\,\vec{T}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_r</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons Après utilisation successive nous avons trouvé, }}«<math>\;\overline{T}(t) = \vec{T}(t) \cdot \vec{u}_r = -m\;g\, \left\lbrace \dfrac{2\;E_{m,\,0}}{m\;g\;\mathit{l}} - 2 + 3\;\cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons }}le fil restant tendu dans tout le mouvement si <math>\,\overline{T}(\theta)\;</math><ref> Il s'agit d'un abus d'écriture usuel en physique <math>\,\big(</math>mais non toléré en mathématiques<math>\big)\,</math> consistant à confondre la fonction avec la valeur de la fonction, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Il s'agit d'un abus d'écriture usuel en physique }}<math>\,\overline{T}(t)\,</math> valeur de la fonction <math>\,f\,</math> composante radiale du vecteur tension du fil de la variable <math>\,\theta\,</math> <br>{{Al|3}}{{Transparent|Il s'agit d'un abus d'écriture usuel en physique <math>\,\color{transparent}{\overline{T}(t)}\,</math> valeur de la fonction <math>\,\color{transparent}{f}\,</math> }}composée avec la fonction <math>\,g\,</math> loi horaire de position angulaire du P.P.S. de la variable <math>\,t\,</math> <br>{{Al|3}}{{Transparent|Il s'agit d'un abus d'écriture usuel en physique <math>\,\color{transparent}{\overline{T}(t)}\,</math> }}est identifié, en physique, à <math>\,\overline{T}(\theta)\,</math> mais <br>{{Al|3}}{{Transparent|Il s'agit d'un abus d'écriture usuel en physique }}cette même valeur serait notée en mathématiques <math>\,f\! \left[ g(t) \right]\,</math> ou <math>\,f(\theta)\,</math> faisant la distinction entre la fonction <math>\,f \circ g\,</math> de la variable <math>\,t\,</math> et <math>\,f\,</math> de la variable <math>\,\theta</math> ; <br>{{Al|3}}cet abus est très utile en physique car il permet de limiter fortement le nombre de grandeurs introduites.</ref> est <math>\;< 0\;\;\forall\; \theta</math>, ce qui est réalisé « si le maximum de <math>\;\overline{T}(\theta)\,</math> est <math>\,< 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu }}il convient, pour poursuivre, d'introduire le domaine de variation de <math>\,\theta</math>, ce qui nécessite <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu il convient, pour poursuivre, }}de distinguer la nature révolutive ou oscillatoire hypothétique du P.P.S.N.A. <ref name="P.P.S.N.A." /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu il convient, pour poursuivre, de distinguer }}suivant son énergie mécanique initiale : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu }}<math>\bullet\;</math>si «<math>\;E_{m,\,0}\,</math> est <math>\,>\,</math> à <math>\,2\,m\,g\,\mathit{l}\;</math>» <ref> Nous sommes nécessairement dans les C.I. de type <math>\,1\mathfrak{b}\,</math> c.-à-d. que <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,\neq 0</math>.</ref>, le mouvement du P.P.S.N.A. <ref name="P.P.S.N.A." /> étant révolutif <math>\,\big(</math>tant que le fil reste tendu<math>\big)</math>, <br>{{Al|13}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{>}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» }}le domaine de variation de <math>\,\theta\,</math> est «<math>\;\left\lbrace \begin{array}{r c l} \left[ \theta_0\,,\,+\infty \right[ & \text{pour} & \dot{\theta}_0 > 0\\ \left] -\infty\,,\,\theta_0 \right] & \text{pour} & \dot{\theta}_0 < 0 \end{array} \right\rbrace\;</math>» <br>{{Al|13}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{>}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» }}mais, la fonction <math>\,\overline{T}(\theta) = -m\,g\, \left[ \dfrac{2\,E_{m,\,0}}{m\,g\,\mathit{l}} - 2 + 3\,\cos(\theta) \right]\,</math> étant <br>{{Al|13}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{>}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» mais, la fonction <math>\,\color{transparent}{\overline{T}(\theta)}</math> }}<math>\,2\,\pi</math>-périodique et paire, « la recherche de son <br>{{Al|13}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{>}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» mais, }}maximum peut être restreinte à <math>\,\left[ 0\,,\,+\pi \right]</math>, <math>\,\forall\,</math> signe de <math>\,\dot{\theta}_0\;</math>» <ref> En effet la fonction <math>\,\overline{T}(\theta) = -m\,g\, \left[ \dfrac{2\,E_{m,\,0}}{m\,g\,l} - 2 + 3\,\cos(\theta) \right]\,</math> étant <math>\,2\,\pi</math>-périodique et paire, la recherche de son maximum peut être restreinte à un intervalle de largeur <math>\,\pi\,</math> à partir duquel on obtient toutes les valeurs possibles de <math>\,\overline{T}(\theta)</math>, <math>\,\big[</math>de largeur <math>\,2\,\pi\,</math> car <math>\,\overline{T}(\theta)\,</math> est <math>2\,\pi</math>-périodique et de largeur <math>\,\pi\,</math> car <math>\,\overline{T}(\theta)\,</math> est en plus paire<math>\big]\,</math> par exemple, <br>{{Al|3}}{{Transparent|En effet }}en supposant <math>\,\dot{\theta}_0 > 0</math>, la condition de fil tendu pour un mouvement hypothétique révolutif se réécrit <math>\,\max\limits_{\left[ \theta_0\,,\,\theta_0 + \pi \right]} \left\lbrace \overline{T}(\theta) \right\rbrace < 0\,</math> ou <math>\,\max\limits_{\left[ 0\,,\, +\pi \right]} \left\lbrace \overline{T}(\theta) \right\rbrace < 0</math> <math>\,\Big\{</math>car toutes les valeurs possibles sont aussi trouvées en restreignant l'intervalle de définition de <math>\,\overline{T}(\theta)\,</math> à <math>\,\left[ 0\,,\,+\pi \right]\Big\}\,</math> et, <br>{{Al|3}}{{Transparent|En effet }}en supposant <math>\,\dot{\theta}_0 < 0</math>, elle se réécrit <math>\,\max\limits_{\left[ \theta_0 - \pi\,,\, \theta_0 \right]} \left\lbrace \overline{T}(\theta) \right\rbrace < 0\,</math> ou <math>\,\max\limits_{\left[ -\pi\,,\,0 \right]} \left\lbrace \overline{T}(\theta) \right\rbrace < 0</math> <math>\,\Big\{</math>toutes les valeurs possibles étant aussi trouvées en restreignant l'intervalle de définition de <math>\,\overline{T}(\theta)\,</math> à <math>\,\left[ -\pi\,,\,0 \right]\,</math> ou encore <math>\,\left[ 0\,,\,+\pi \right]\Big\}</math>.</ref> soit, <br>{{Al|13}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{>}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» }}avec <math>\,\overline{T}(\theta) = -m\,g\, \left[ \dfrac{2\,E_{m,\,0}}{m\,g\,\mathit{l}} - 2 + 3\,\cos(\theta) \right]\,\nearrow\,</math> sur <math>\,\left[ 0\,,\, +\pi \right]</math>, son <br>{{Al|13}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{>}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» }}maximum s'obtenant alors pour <math>\,\pi</math>, la condition de fil tendu se réécrit «<math>\;\max\limits_{\left[ 0\,,\,+\pi \right]} \left\lbrace \overline{T}(\theta) \right\rbrace = \overline{T}(+\pi) < 0\;</math>» ou encore <br>{{Al|13}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{>}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» }}<math>\,\overline{T}(+\pi) = -m\,g\, \left[ \dfrac{2\,E_{m,\,0}}{m\,g\,\mathit{l}} - 5 \right] < 0\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,E_{m,\,0} > \dfrac{5}{2}\;m\;g\;\mathit{l}</math>, finalement <br>{{Al|13}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{>}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» }}« la <u>condition pour que le mouvement du P.P.S.N.A. <ref name="P.P.S.N.A." /> à fil idéal <ref name="fil idéal" /> soit effectivement révolutif</u> <br>{{Al|13}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{>}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» « }}sans que le fil ne se détende est <math>\,E_{m,\,0} > \dfrac{5}{2}\;m\;g\;\mathit{l}\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu }}<math>\bullet\;</math>si «<math>\;E_{m,\,0}\,</math> est <math>\,<\,</math> à <math>\,2\,m\,g\,\mathit{l}\;</math>», le mouvement du P.P.S.N.A. <ref name="P.P.S.N.A." /> étant oscillatoire <math>\,\big(</math>tant que le fil reste tendu<math>\big)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{<}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» }}le domaine de variation de <math>\,\theta\,</math> est «<math>\;\left[ -\theta_m\,,\,+\theta_m \right[\,</math> dans lequel l'amplitude <math>\,\theta_m = \arccos\! \left[ 1 - \dfrac{E_{m,\,0}}{m\,g\,\mathit{l}} \right]\;</math>» <ref name="arccosinus"> Voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Fonctions_trigonométriques_inverses#Fonction_inverse_de_la_fonction_cosinus_:_fonction_arccosinus|fonction inverse de la fonction cosinus : fonction arccosinus]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>{{,}} <ref name="amplitude d'oscillations"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Mouvement_conservatif#Condition(s)_pour_que_le_mouvement_du_P.P.S.N.A._soit_oscillatoire|condition(s) pour que le mouvement du P.P.S.N.A. soit oscillatoire]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{<}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» }}mais, la fonction <math>\,\overline{T}(\theta) = -m\,g\, \left[ \dfrac{2\,E_{m,\,0}}{m\,g\,\mathit{l}} - 2 + 3\,\cos(\theta) \right]\,</math> étant <math>\,2\,\pi</math>-périodique et paire, « la recherche de son <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{<}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» mais, }}maximum peut être restreinte à <math>\,\left[ 0\,,\,\theta_m \right]\,</math> et, avec <math>\,\overline{T}(\theta) = -m\,g\, \left[ \dfrac{2\,E_{m,\,0}}{m\,g\,\mathit{l}} - 2 + 3\,\cos(\theta) \right]\,\nearrow\,</math> sur <math>\,\left[ 0\,,\, \theta_m \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{<}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» }}son maximum s'obtenant alors pour <math>\,\theta_m</math>, la condition de fil tendu se réécrit «<math>\;\max\limits_{\left[ 0\,,\,\theta_m \right]} \left\lbrace \overline{T}(\theta) \right\rbrace = \overline{T}(\theta_m) < 0\;</math>» ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{<}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» }}<math>\,\overline{T}(\theta_m) = -m\,g\, \left[ \dfrac{2\,E_{m,\,0}}{m\,g\,\mathit{l}} - 2 + 3\,\cos(\theta_m) \right] = -m\,g\, \left\lbrace \dfrac{2\,E_{m,\,0}}{m\,g\,\mathit{l}} - 2 + 3\, \left[ 1 - \dfrac{E_{m,\,0}}{m\,g\,\mathit{l}} \right] \right\rbrace = m\,g\, \left\lbrace \dfrac{E_{m,\,0}}{m\,g\,\mathit{l}} - 1 \right\rbrace</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{<}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\overline{T}(\theta_m)}</math> }}<math>< 0\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,E_{m,\,0} < m\;g\;\mathit{l}</math>, finalement <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{<}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» }}« la <u>condition pour que le mouvement du P.P.S.N.A. <ref name="P.P.S.N.A." /> à fil idéal <ref name="fil idéal" /> soit effectivement oscillatoire</u> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{<}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» « }}sans que le fil ne se détende est <math>\,E_{m,\,0} < m\;g\;\mathit{l}\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu }}<math>\bullet\;</math>en conclusion si «<math>\;E_{m,\,0} \in \left[ m\,g\,\mathit{l}\,,\, \dfrac{5}{2}\,m\,g\,\mathit{l} \right[\;</math>», <u>le fil se détend</u> pour «<math>\;\theta_{\text{détente}}\,</math> telle que <math>\,\overline{T}(\theta_{\text{détente}}) = 0\;</math>» soit <br>{{Al|9}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>en conclusion si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0} \in \left[ m\,g\,\mathit{l}\,,\, 5\,m\,g\,\mathit{l} \right[}\;</math>», le fil se détend pour }}«<math>\;\vert \theta_{\text{détente}} \vert = \arccos\! \left[ \dfrac{2}{3} - \dfrac{2\,E_{m,\,0}}{3\,m\,g\, \mathit{l}} \right]\, \in \left[ \dfrac{\pi}{2}\,,\, \pi \right]\;</math>» <ref name="arccosinus" />. == Notes et références == <references /> {{Bas de page | idfaculté = physique | précédent = [[../Loi du moment cinétique : Pendule pesant 1ère partie|Loi du moment cinétique : Pendule pesant 1ère partie]] | suivant = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Énergie cinétique du solide en rotation|Approche énergét. du mouv. d'un sol. en rotat. autour d'un axe fixe : Énergie cinétique du solide en rotation]] }} n6ol8yb7ccej13dh2xhrjoni222u9n1 987974 987973 2026-11-01T10:55:25Z Phl7605 31541 /* Dans le cas d’une « liaison pivot » ou d’une « liaison sphérique avec C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b) », nouveau repérage adapté à la nature rotatoire du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté */ 987974 wikitext text/x-wiki {{Chapitre | idfaculté = physique | numéro = 9 | niveau = 14 | précédent = [[../Loi du moment cinétique : Pendule pesant 1ère partie/]] | suivant = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Énergie cinétique du solide en rotation/]] }} <center>Nous nous plaçons, dans ce chapitre, dans le cadre de la dynamique newtonienne, <br>l'espace physique considéré étant <math>\,\big(</math>sauf avis contraire<math>\big)\,</math> « orienté à droite » <ref name="orienté à droite"> Voir l'« introduction du paragraphe [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Produit_vectoriel_de_deux_vecteurs|produit vectoriel de deux vecteurs]] (pour la signification d'espace orienté à droite) » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>.</center> == Réalisation expérimentale du portrait de phase d’un pendule pesant (non amorti à un degré de liberté), mise en évidence d’un amortissement (correspondant à une diminution d’« énergie mécanique ») == === Description du dispositif expérimental === [[File:Pendule pesant - dispositif pour diagramme horaire de position.png|thumb|500px|left|Dispositif expérimental de détermination du diagramme horaire de position angulaire d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] dont l'axe de rotation est solidaire d'un potentiomètre <math>10</math> tours]] {{Al|5}}Bien que nous souhaitons étudier un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A."> Pendule Pesant Non Amorti.</ref>, les frottements fluide <math>\,\big(</math>et solide<math>\big)\,</math> ne peuvent jamais être totalement éliminés, ils ne peuvent qu'être réduits, la réduction sera considérée comme satisfaisante pour un mouvement {{Nobr|pendulaire <ref name="pendulaire"> Adjectif synonyme d'« oscillatoire ».</ref>}} si les oscillations se maintiennent pendant une « durée suffisamment grande devant la période » <ref name="durée grande devant période"> Il est souhaitable de pouvoir observer, sans amortissement notable, au moins une cinquantaine d’oscillations.</ref> ; {{Al|5}}nous pouvons utiliser le [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]], schématisé ci-contre, composé des pièces suivantes : * une tige cylindrique, de C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> <math>\,G_t</math>, de masse <math>\,m_t</math>, de longueur <math>\,\mathit{l}_t\,</math> et de rayon <math>\,R_t</math>, pouvant être fixée en <math>\,O\,</math> sur un axe horizontal de rotation <math>\,\big(</math>l’axe du potentiomètre décrit ci-après<math>\big)</math>, * un cylindre métallique, de C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G_c</math>, de masse <math>\,m_c</math>, de longueur <math>\,\mathit{l}_c</math>, de rayon extérieur <math>\,R_2\,</math> et de rayon intérieur <math>\,R_1</math>, dont l'axe est confondu avec l'axe de la tige et que nous pouvons déplacer sur cette dernière pour modifier la position du C.D.I. <ref name="C.D.I." /> global et du moment d’inertie du pendule relativement à l’axe de rotation, * un potentiomètre bobiné <math>\,10\,</math> tours de <math>\,10\; k \Omega</math> <math>\,\big(</math>voir ci-dessous à gauche<math>\big)</math>, d’axe servant d’axe de rotation au pendule ; <br>{{Al|3}}le potentiomètre est alimenté symétriquement à l'aide d'une A.S. <ref name="A.S."> Alimentation Stabilisée <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_(PCSI)/Circuits_électriques_dans_l'ARQS_:_dipôles_linéaires#Notion_d'alimentation_stabilisée_(A.S.)|notion d'alimentation stabilisée (A.S.)]] » du chap.<math>22</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_(PCSI)|Signaux physiques (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> entre <math>\,+12\; V\,</math> et <math>\,-12\; V</math>, la position angulaire du pendule étant alors <math>\,\propto\,</math> à la tension «<math>\;u(t)\;</math>» entre le curseur du potentiomètre et la masse de l’alimentation ; <br>{{Al|3}}lorsque le pendule est au repos, le curseur est placé approximativement à mi-course et le support du potentiomètre est tourné de manière à obtenir une tension à l’équilibre «<math>\;u_{\text{éq}}\;</math>» inférieure à <math>\,10\; mV\;</math><ref name="réglage du zéro"> De façon à ce que nous puissions assimiler la valeur de <math>\,u_{\text{éq}}\,</math> à <math>\,0</math>.</ref>, l’échelle de tension est alors de {{Nobr|«<math>\;300\; mV\,</math>}} pour <math>\,45\; \text{°}\;</math>» <math>\,\Big\{</math>en effet <math>\,24\; V\,</math> aux bornes des <math>\,10\,</math> tours de potentiomètre donne <math>\,2,4\; V\,</math> par tour et <math>\,0,3\; V\,</math> pour <math>\,\dfrac{1}{8}\,</math> de tour correspondant à une élongation angulaire de <math>\,\dfrac{\pi}{4}\;rad = 45\;\text{°}\Big\}</math> ; [[File:Centrale-d'acquisition-sysam-sp5.jpg|thumb|330px|Centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 pilotée par interface [[w:Python_(langage)|python]]]] [[File:Potentiomètre 10-tours 10k.png|thumb|450px|left|Exemple de potentiomètre <math>\,10\,</math> tours de <math>\,10\;k \Omega</math>]] {{Al|5}}l'acquisition de la tension peut être faite avec la « centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 » <math>\,\big(</math>ci-contre à droite<math>\big)\,</math> pilotée par interface « [[w:Python_(langage)|python]] », voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Utilisation_de_la_centrale_de_conversion_Eurosmart_SysamSP5_pilotée_par_l’interface_python|utilisation de la centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 pilotée par l'interface python]] » plus bas dans ce chapitre. {{Al|5}}<u>Remarque</u> : on pourrait utiliser une autre interface mais le potentiomètre devrait être adapté, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}par exemple pour l’interface « Orphy-GTI » avec sa prise <math>\,F\;</math><ref name="interface Orphy-GTI"> Voir la photo du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Utilisation_de_l’interface_«_ORPHY-GTI_»_associée_au_logiciel_«_Regressi_»|utilisation de l'interface “ORPHY-GTI” associée au logiciel “Regressi”]] » plus loin dans ce chapitre.</ref>, utiliser un potentiomètre monotour de <math>\,10\; k \Omega\;</math><ref name="potentiomètre monotour"> Voir un exemple de potentiomètre monotour <math>\,10\; k \Omega\,</math> dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Utilisation_de_l’interface_«_ORPHY-GTI_»_associée_au_logiciel_«_Regressi_»|utilisation de l'interface “ORPHY-GTI” associée au logiciel “Regressi”]] » plus loin dans le chapitre.</ref> en mettant en série avec lui deux autres conducteurs ohmiques additionnels de même résistance de <math>\,10\; k \Omega</math>, « la tension appliquée au potentiomètre étant alors de <math>\,8\; V\,</math>» <ref name="utilisation d'un potentiomètre monotour"> En effet <math>\,24\; V\,</math> aux bornes de <math>\,3\,</math> fois <math>\,10\; k \Omega\,</math> en montage potentiométrique donne <math>\,\big(</math>en sortie ouverte<math>\big)</math> <math>\,8\; V\,</math> aux bornes du potentiomètre, soit <math>\,8\; V\,</math> pour un tour et <math>\,1\; V\,</math> pour <math>\,\dfrac{1}{8}\,</math> de tour correspondant à une élongation angulaire de <math>\,\dfrac{\pi}{4}\;rad = 45\;\text{°}</math>.</ref>, l’échelle de tension est de «<math>\;1\; V\,</math> pour {{Nobr|<math>\;45\; \text{°}\;</math>» <ref name="utilisation d'un potentiomètre monotour" />,}} l’interface « Orphy-GTI » étant reliée à l’ordinateur par la prise « série <math>\,COM2\;</math>», voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Utilisation_de_l’interface_«_ORPHY-GTI_»_associée_au_logiciel_«_Regressi_»|utilisation de l'interface “ORPHY-GTI” associée au logiciel “Regressi”]] » plus loin dans le chapitre. <br><br> === Utilisation de la centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 pilotée par l’interface python === {{Al|5}}On réalise une acquisition de la tension <math>\,u(t)\,</math> avec une période d’échantillonnage de <math>\,10\; ms\,</math> et pendant une durée de <math>\,70\; s\;</math><ref name="acquisition d'une grandeur et utilisation par interface python"> L'acquisition de la grandeur par la centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 nécessite le chargement dans [[w:Python_(langage)|python]] du module « pycanum.main » <math>\,\big[</math>pour l'obtention et l'installation de ce dernier voir « http://www.f-legrand.fr/scidoc/docmml/sciphys/caneurosmart/interpy/interpy.html »<math>\big]</math>.</ref> <math>\,\big(</math>correspondant donc à <math>\,7000\,</math> valeurs captées <math>\Rightarrow</math> la durée d’acquisition est suffisamment grande pour observer un retour à l’équilibre du pendule<math>\big)\;</math><ref name="article original pour utilisation de la centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 pilotée par python"> Article original à l'adresse « http://www.f-legrand.fr/scidoc/docmml/sciphys/meca/exppendule/exppendule.html ».</ref>, le code [[w:Python_(langage)#Syntaxe|python]] permettant de faire l'acquisition est le suivant : import pycanum.main as pycan <br>import matplotlib.pyplot as plt <br> <br>import numpy <br>import math <br> <br>sys = pycan.Sysam("SP5") <ref> Des explications plus approfondies sur l'utilisation de ce module peuvent être trouvées à l'adresse « https://www.f-legrand.fr/scidoc/docmml/sciphys/caneurosmart/interpy/interpy.html ».</ref> <br>sys.config_entrees([0],[1]) <br>te=1e-2 # période d'échantillonnage <br>ne=7000 # nombre d'échantillons <br>duree=te*ne <br>sys.config_echantillon(te*10**6,ne) {{Al|10}}# période d'échantillonnage en µs <br>sys.acquerir() <br>t=sys.temps() <br>u=sys.entrees() <br>echelle = 0.6/(math.pi/2) {{Al|27}}# conversion tension->angle <br>angle=u[0]/echelle <br>temps=t[0] <br>numpy.savetxt("pendule-6.txt",[temps,angle]) <br>sys.fermer() <br>plt.figure(figsize=(18,6)) {{Al|27}}# taille en pouces 18,6 inch = 47,2 cm <br> <br>plt.plot(temps,angle) <br>plt.xlabel("t (s)") <br>plt.ylabel("theta (rad)") <br>plt.axis([0,duree,-math.pi/2,math.pi/2]) <br>plt.show() <ref> Visualise le diagramme horaire de position angulaire du P.P. mais celui-ci n'est pas représenté car ce dernier est observable plus loin avec une grille de fond.</ref> [[File:Pendule pesant amorti - diagramme horaire de position angulaire.png|thumb|450px|Diagramme horaire de position angulaire d'un P.P.A. <ref name="P.P.A."> Pendule Pesant Amorti.</ref> écarté de sa position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable"> Correspondant à <math>\,G\,</math> sur la verticale de <math>\,O\,</math> et au-dessous.</ref> et lâché sans vitesse initiale, obtenu par centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 pilotée par l’interface [[w:Python_(langage)|python]]]] [[File:Pendule pesant amorti - diagramme horaire de vitesse angulaire bruité.png|thumb|450px|Diagramme horaire de vitesse angulaire d'un P.P.A. <ref name="P.P.A." /> écarté de sa position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable" /> et lâché sans vitesse initiale, obtenu par filtre dérivateur du signal échantillonné bruité acquis par centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 pilotée par l’interface [[w:Python_(langage)|python]]]] <br>{{Al|5}}puis on trace le diagramme horaire de l’élongation angulaire <ref name="tracé d'une courbe par interface python"> Le tracé d'une courbe nécessite le chargement du module « pyplot » de la bibliothèque « [[w:Matplotlib|mathplotlib]] » dans [[w:Python_(langage)|python]], il est aussi nécessaire de faire le chargement des modules « numpy » <math>\,\big[</math>pour faire du calcul scientifique voir « [[w:Numpy|numpy]] »<math>\big]</math>, « scipy » <math>\,\big[</math>unifie des bibliothèques de [[w:Python_(langage)|python]], utilise entre autres les tableaux et matrices du module [[w:Numpy|numpy]] voir « [[w:Scipy|scipy]] »<math>\big]\,</math> et « math » <math>\,\big[</math>permettant d'utiliser les fonctions élémentaires comme cosinus, sinus, racine carrée et d'autres ainsi que la valeur de <math>\pi\big]</math>.</ref>, le code [[w:Python_(langage)#Syntaxe|python]] pour obtenir le tracé ci-contre est ci-dessous from matplotlib.pyplot import * {{Al|10}}# importe tous les noms du module sauf ceux commençant par "_" <br>import numpy as np <br>import math <br>import scipy.signal <br> <br>[temps,angle] = np.loadtxt("pendule-6.txt") <br>figure(figsize=(10,6)) {{Al|24}}# taille en pouces 10,6 inch = 26,9 cm <br>plot(temps,angle) <br>xlabel("t (s)") <br>ylabel("theta (rad") <br>axis([0,70,-2,2]) <br>grid() {{Al|48}}# ajoute une grille de fond sur la figure <br>{{Al|5}}ensuite l'objectif est d'en déduire le diagramme horaire de vitesse angulaire du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> par dérivation du signal échantillonné, ce qui se fait par simulation de filtre dérivateur «<math>\;x \mapsto y\;\text{:}\;y_n = \dfrac{x_n - x_{n - 1}}{T_e}\;</math>» avec «<math>\;T_e\,</math> la période d’échantillonnage » mais le signal obtenu étant « très bruité » <ref name="rôle d'un filtre dérivateur sur le bruit"> Le filtre dérivateur accentuant le bruit du signal d’entrée.</ref> il faudrait effectuer une simulation de filtre passe-bas <ref name="but d'un filtre passe-bas"> Le signal échantillonné pouvant être reconstitué à l'aide des 1^ers harmoniques et le bruit étant essentiellement de haute fréquence, un filtre passe-bas permet donc de l'éliminer sans pour autant altérer le signal échantillonné.</ref> avant de dériver, le code [[w:Python_(langage)#Syntaxe|python]] pour dériver puis tracer le diagramme horaire de vitesse angulaire sans élimination préalable du bruit est ci-dessous avec le tracé ci-contre <br>a=[te] {{Al|34}}# dénominateur du quotient définissant le filtre dérivateur <br>b=[1,-1] {{Al|31}}# le 1^er et 2^nd cœfficients de la somme du numérateur du quotient définissant le filtre dérivateur <br>omega = scipy.signal.lfilter(b,a,angle) <br>figure(figsize=(10,6)) {{Al|10}}# taille en pouces 10,6 inch = 26,9 cm <br>plot(temps,omega) <br>xlabel("t (s)") <br>ylabel("omega (rad/s") <br>axis([0,70,-10,10]) <br>grid() {{Al|34}}# ajoute une grille de fond sur la figure <br>{{Al|5}}on y voit nettement la nécessité de filtrer le signal échantillonné avant de dériver, ce qu'on va exposer ci-dessous : {{Al|5}}on réalise donc une simulation de filtre passe-bas en utilisant un « [[w:Filtre_à_réponse_impulsionnelle_finie|filtre à R.I.F.]] <ref name="R.I.F."> Réponse Impulsionnelle Finie.</ref> » qui est basée sur une réponse C.L. <ref name="C.L."> Combinaison Linéaire.</ref> d’un nombre fini de valeurs du signal d’entrée selon «<math>\;y_n = \!\!\sum\limits_{k\, \in\, \left[\left[ -P \,,\, P \right]\right]} b_k\; x_{n - k}\;</math>», les <math>\,2\;P + 1\,</math> cœfficients «<math>\;b_k\;</math>» étant des constantes réelles « définissant le filtrage » <ref> Par exemple <math>\,b_0 = 1\,</math> et <math>\,b_k = 0\;\;\forall\, k\,\in\,\left[\left[ -P \,,\, P \right]\right] \backslash \left\lbrace 0 \right\rbrace\,</math> définit un passe-tout <math>\;\ldots</math> <br>{{Al|3}}toutefois une étude plus détaillée étant hors programme de physique de P.C.S.I. nous traiterons la suite en « boîte noire » en précisant simplement le rang <math>\,P\,</math> de la troncature de la [[w:Réponse_impulsionnelle|réponse impulsionnelle]] ainsi que la fréquence de coupure <math>\,f_c\,</math> du filtre passe-bas simulé relativement à la fréquence d'échantillonnage <math>\,f_e</math> <math>\,\big[</math>ici égale à <math>\,100\;Hz\big]</math> <math>\;\ldots</math></ref>{{,}} <ref> Un filtre passe-bas est aisément simulé par un « [[w:Filtre_à_réponse_impulsionnelle_finie|filtre à R.I.F.]] <math>\,\big(</math>filtre à réponse impulsionnelle finie<math>\big)\,</math>» dans la mesure où la fréquence du signal <math>\,f</math> <math>\,\big[</math>ici de l'ordre de <math>\,1\;Hz\big]\,</math> est petite devant la fréquence d'échantillonnage <math>\,f_e</math> <math>\,\big[</math>ici égale à <math>\,100\;Hz\big]</math> ; <br>{{Al|3}}l'inconvénient de l'utilisation d'un « [[w:Filtre_à_réponse_impulsionnelle_finie|filtre à R.I.F.]] <math>\,\big(</math>filtre à réponse impulsionnelle finie<math>\big)\;</math>» est que cette méthode élimine les <math>\,P\,</math> 1^ers points ainsi que les <math>\,P\,</math> derniers, ce qui nécessite que <math>\,P\,</math> soit petit devant le nombre total <math>\,n_e\,</math> de points, <math>\,P\,</math> devant être aussi suffisamment grand pour que le filtre passe-bas simulé soit sélectif <math>\,\big\{n_e\,</math> étant égal à <math>\,7000</math>, choisir <math>\,P\,</math> de l'ordre de <math>\,10\,</math> ou plus devrait {{Nobr|convenir<math>\big\}</math>.}}</ref>, le code [[w:Python_(langage)#Syntaxe|python]] pour réaliser ce filtrage passe-bas étant ci-dessous avec le tracé ci-contre du diagramme horaire de position filtrée en rouge superposé à celui du diagramme horaire de position bruitée en bleu sur l'intervalle <math>\,\left[ 50\;s\;;\;60\;s \right]</math> : [[File:Pendule pesant amorti - diagramme horaire de position angulaire - bis.png|thumb|450px|Superposition des diagrammes horaires de position angulaire bruitée (en bleu) et filtrée (en rouge) d'un P.P.A. <ref name="P.P.A." /> écarté de sa position d'équilibre {{Nobr|stable <ref name="équilibre stable" />}} et lâché sans vitesse initiale, obtenu par centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 pilotée par l’interface [[w:Python_(langage)|python]], les tracés étant localisés vers la fin des oscillations]] <br>P=20 {{Al|14}}# un rang de troncature de P = 20 petit devant ne = 7000 mais suffisamment grand pour que le filtre soit sélectif <ref> Pour obtenir la k^ème position filtrée on utilise <math>\,2\;P + 1 = 41\,</math> valeurs de son voisinage.</ref> <br>fc=0.05 {{Al|10}}# une fréquence de coupure de 0,05 Hz suffisamment petite pour éliminer le maximum de bruit sans altérer le signal <br> <br>h = scipy.signal.firwin(numtaps=2*P+1,cutoff=[fc],nyq=0.5,window='hamming') {{Al|10}}# utilise le module « [[w:Filtre_à_réponse_impulsionnelle_finie|filtre à R.I.F.]] <ref name="R.I.F." /> » <ref name="paramètres du module scipy.signal.firwin"> Le 1^er paramètre du module « scipy.signal.firwin » est le nombre de cœfficients de la C.L. définissant le filtre, <br>{{Al|3}}le 2^nd {{Transparent|paramètre du module « scipy.signal.firwin » est }}la fréquence de coupure <math>\,\big\{</math>encadrée ou non par des crochets<math>\big\}</math>, <br>{{Al|3}}le 3^ème <math>\,\big(</math>optionnel<math>\big)\,</math> {{Al|1}}{{Transparent|paramètre du module « scipy » }} la [[w:Fréquence_de_Nyquist|fréquence Nyquist]] <math>\,\big[</math>c.-à-d. la fréquence maximale que doit contenir un signal pour permettre sa description non ambigüe par un échantillonnage à intervalles réguliers<math>\big]\,</math> et <br>{{Al|3}}le 4^ème {{Al|3}}{{Transparent|paramètre du module « scipy.signal.firwin » }}la [[w:Fenêtrage|fenêtre]] utilisée {{Nobr|<math>\,\bigg[</math>c.-à-d.}} la fonction par laquelle le signal observé est multiplié pour le limiter sur une durée finie, on utilise ici une fenêtre de Hamming d'équation <math>\,h(t) = \left\lbrace \begin{array}{l} 0,54 - 0,46\;\cos\! \left( 2\;\pi\;\dfrac{t}{T} \right) & \text{ si } t\, \in\, \left[0 \,,\,T \right] \\ 0 & \text{ sinon} \end{array}\right.\bigg]</math> ; <br>{{Al|3}}'''[[w:Harry_Nyquist|Harry Nyquist]] (1889 - 1976)''' physicien d'origine suédoise ayant pris la nationalité américaine (étatsunienne), l'un des principaux contributeurs de la [[w:Théorie_de_l'information|théorie de l'information]] et de l'[[w:Automatique|automatique]], on lui doit le [[w:Diagramme_de_Nyquist|diagramme de Nyquist]] ainsi que le [[w:Théorème_d'échantillonnage|théorème d'échantillonnage de Nyquist-Shannon]] ;<br>{{Al|3}}'''[[w:Claude_Shannon|Claude Elwood Shannon]] (1916 - 2001)''' ingénieur en génie électrique et mathématicien américain, considéré comme l'un des fondateurs de la [[w:Théorie_de_l'information|théorie de l'information]] ; <br>{{Al|3}}'''[[w:Richard_Hamming|Richard Wesley Hamming]] (1915 - 1998)''' mathématicien américain à qui on doit les [[w:Code_de_Hamming|codes de Hamming]] permettant la détection et la correction automatique d'une erreur si elle ne porte que sur une lettre du message ainsi que la [[w:Distance_de_Hamming|distance de Hamming]] qui joue un rôle important en théorie algébrique des codes correcteurs <math>\,\big(</math>sur deux suites de symboles de même longueur, elle associe le nombre de positions où les deux suites diffèrent<math>\big)</math>.</ref> <br>y = scipy.signal.convolve(angle,h,mode='valid') {{Al|59}}# réalise le filtrage par [[w:Produit_de_convolution|convolution]] <ref name="produit de convolution"> Le produit de convolution de deux suites réelles <math>\,\big(</math>ou complexes<math>\big)</math> <math>\,u_p,\;\;p\;\in\;\mathbb{Z}\,</math> et <math>\,v_q,\;\;q\;\in\;\mathbb{Z}</math>, est une autre suite, qui se note généralement «<math>\;(u * v)_n,\;\;n\;\in\;\mathbb{Z}\;</math>» et qui est définie par <center><math>\,\left( u * v \right)_n = \sum\limits_{m = -\infty}^{+\infty} u_{n - m} \times v_m = \sum\limits_{m = -\infty}^{+\infty} u_m \times v_{n - m}</math> ;</center> {{Al|3}}le produit de convolution de deux fonctions réelles <math>\,\big(</math>ou complexes<math>\big)\,</math> d'une variable réelle <math>\,\big(</math>ou complexe<math>\big)</math> <math>\,f\,</math> et <math>\,g</math>, est une autre fonction, qui se note généralement «<math>\;f * g\;</math>» et qui est définie par <center><math>\;\left( f * g \right)(x) = \displaystyle\int_{-\infty}^{+\infty} f\! \left( x - t \right) \;g(t) \; dt = \displaystyle\int_{-\infty}^{+\infty} f(t) \;g\! \left( x - t \right) \; dt</math> <br>voir les « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrales_généralisées_(ou_impropres)#Intégrale_généralisée_d'une_fonction_continue_par_morceaux_sur_un_intervalle_ouvert_dont_au_moins_une_des_bornes_est_infinie|intégrales généralisées d'une fonction continue par morceaux sur un intervalle ouvert dont au moins une des bornes est infinie]] » <br>du chap.<math>18</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</center></ref> du signal <br>{{Al|137}}θ par le filtre passe-bas simulé <br> <br>ny = y.size {{Al|31}}# définit le nombre de points de la liste « y » du signal filtré <br>ty = np.zeros(ny) {{Al|21}}# définit une liste « ty » contenant ny zéros <br>for k in range(ny): {{Al|20}}# remplace chaque zéro de la liste « ty » par l'instant … <br>{{Al|5}}ty[k] = P*te+te*k <ref> Le « [[w:Filtre_à_réponse_impulsionnelle_finie|filtre à R.I.F.]] » éliminant les les <math>\,P\,</math> 1^ers points ainsi que les <math>\,P\,</math> derniers, il faut calculer une nouvelle liste de temps avant d'effectuer le tracé, afin d'annuler le décalage entre le signal d'entrée et de sortie du filtre, cette liste débute donc à l'instant <math>\,P\;T_e</math>.</ref> {{Al|11}}# … correspondant à la valeur de même rang dans la liste « y » <br> <br>figure(figsize=(10,6)) {{Al|14}}# taille en pouces 10,6 inch = 26,9 cm <br>plot(temps,angle,"b") {{Al|14}}# tracé du diagramme horaire de position bruitée en bleu <br>plot(ty,y,"r") {{Al|29}}# tracé du diagramme horaire de position filtrée en rouge <br>xlabel("t (s)") <br>ylabel("theta (rad)") <br>axis([50,60,-0.3,0.3]) <br>grid() {{Al|38}}# ajoute une grille de fond sur la figure [[File:Pendule pesant amorti - diagramme horaire de vitesse angulaire sans bruit.png|thumb|450px|Diagramme horaire de vitesse angulaire d'un P.P.A. <ref name="P.P.A." /> écarté de sa position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable" /> et lâché sans vitesse initiale, obtenu par filtre dérivateur du signal échantillonné acquis par centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 pilotée par l’interface [[w:Python_(langage)|python]] puis débarrassé du bruit par filtrage passe-bas]] <br>{{Al|5}}ensuite on obtient le diagramme horaire de vitesse angulaire du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> par dérivation du signal échantillonné filtré, ce qui se fait par simulation de filtre dérivateur «<math>\;x \mapsto y\;\text{:}\;y_n = \dfrac{x_n - x_{n - 1}}{T_e}\;</math>» avec «<math>\;T_e\,</math> la période d’échantillonnage », le code [[w:Python_(langage)#Syntaxe|python]]n pour dériver le signal échantillonné débarrassé du bruit puis tracer le diagramme horaire de vitesse angulaire correspondant est ci-dessous avec le tracé ci-contre a=[te] {{Al|34}}# dénominateur du quotient définissant le filtre dérivateur <br>b=[1,-1] {{Al|31}}# le 1^er et 2^nd cœfficients de la somme du numérateur du quotient définissant le filtre dérivateur <br>omega = scipy.signal.lfilter(b,a,y) <br>figure(figsize=(10,6)) {{Al|10}}# taille en pouces 10,6 inch = 26,9 cm <br>plot(ty,omega) <br>xlabel("t (s)") <br>ylabel("omega (rad/s)") <br>axis([0,70,-10,10]) <br>grid() {{Al|34}}# ajoute une grille de fond sur la figure {{clr}} [[File:Pendule pesant amorti - portrait de phase avec élimination du bruit.png|thumb|450px|[[w:Portrait_de_phase|Pportrait de phase]] d'un P.P.A. <ref name="P.P.A." /> écarté de sa position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable" /> et lâché sans vitesse initiale, obtenu par centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 pilotée par l’interface [[w:Python_(langage)|python]], avec élimination du bruit sur l'élongation angulaire par filtrage passe-bas et obtention de la vitesse angulaire par filtrage dérivateur]] {{Al|5}}enfin souhaitant tracer le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à partir de son point de lancement, on élimine les 1^ères valeurs des listes de temps «<math>\;ty\;</math>», de positions angulaires «<math>\;y\;</math>» et de vitesses angulaires «<math>\;\text{omega}\;</math>» susceptibles de correspondre à un enregistrement antérieur au lancement <math>\,\big(</math>celle de vitesses angulaires étant divisée par <math>\,2\;\pi\,</math> de façon à ce que ces dernières soient exprimées en <math>\,\text{tour} \cdot s^{-1}\big)</math>, le code [[w:Python_(langage)#Syntaxe|python]] pour ces transformations et le tracé du [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est ci-dessous avec le tracé ci-contre debut = int(1.0/te) {{Al|30}}# retourne un entier à partir de 1.0/te <br>y = np.delete(y,range(debut)) {{Al|12}}# supprime les éléments de la liste « y » de rang dans l'intervalle [ 0, int(1.0/te) [ des entiers <br>{{Al|62}}naturels <br>ty = np.delete(ty,range(debut)) {{Al|10}}# supprime les éléments de la liste « ty » de rang dans l'intervalle [ 0, int(1.0/te) [ des entiers <br>{{Al|62}}naturels <br>omega = np.delete(omega,range(debut))/(2*math.pi) {{Al|10}}# supprime les éléments de la liste « omega » de rang dans l'intervalle <br>{{Al|97}} [ 0, int(1.0/te) [ des entiers naturels puis divise par 2*π <br>figure(figsize=(6,6)) {{Al|27}}# taille en pouces 6,6 inch = 16,7 cm <br>plot(y,omega) <br>axis([-math.pi/2,math.pi/2,-math.pi/2,math.pi/2]) <br>xlabel("theta") <br>ylabel("omega") <br>grid() {{Al|50}}# ajoute une grille de fond sur la figure <br>{{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut aisément imaginer les allures des différents diagrammes et [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] d'un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à partir de celles du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> obtenues ci-dessus, l'absence d'amortissement se manifestant par une amplitude de l'élongation angulaire et de la vitesse angulaire constante et par un [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] fermé sur lui-même <math>\;\ldots</math> === Utilisation de l’interface « ORPHY-GTI » associée au logiciel « Regressi » === [[File:Potentiomètre-monotour-10k - bis.png|thumb|230px|Exemple de potentiomètre monotour de <math>\;10\;k \Omega</math>]] {{Al|5}}Le programme de physique de P.C.S.I. impose d’obtenir le diagramme horaire d’élongation angulaire, la variation de la période avec l’amplitude et d’étudier les frottements solide puis fluide d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] « sans aborder le tracé du [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] » en utilisant le logiciel « Regressi » <ref name="Regressi"> Le logiciel peut être téléchargé gratuitement à l'adresse « http://regressi.fr/WordPress/download/ », son utilisation peut être facilitée grâce aux quelques lignes trouvées à l'adresse suivante « https://physique.ensc-rennes.fr/pdf/1annee/notice_resume_regressi.pdf » <math>\;\ldots</math></ref>{{,}} <ref> Toutefois le calcul par « Regressi » de la vitesse angulaire à partir de l’élongation angulaire ne présentant aucune difficulté, le tracé du [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] en découle facilement.</ref> ; ci-après est proposée [[File:Interface orphy-gti.jpg|thumb|left|350px|Interface ORPHY-GTI à associer au logiciel Regressi]] {{Al|5}}une 1^ère manipulation avec utilisation de l’interface « ORPHY-GTI » <math>\;\big(</math>voir ci-contre à gauche<math>\big)\;</math> associée au logiciel « Regressi » <ref name="Regressi" /> <math>\;\big[</math>on peut utiliser le dispositif du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant#Description_du_dispositif_expérimental|description du dispositif expérimental]] (remarque) » présenté plus haut dans ce chapitre, le potentiomètre utilisé devant être monotour <math>\;\big(</math>comme celui représenté ci-contre à droite<math>\big)\;</math> et le pendule étant du type « Pendulor » comme sur la photo ci-dessous à gauche <math>\;\big(</math>dans lequel on remarque un cylindre de plastique situé au-delà de <math>\;\Delta_O\;</math> permettant d'y fixer une plaque créant des frottements fluides<math>\big)\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|une 1^ère manipulation }}peut être visualisée à l'adresse « http://www.sciences.univ-nantes.fr/sites/jacques_charrier/tp/pendulor/index.html », nous n'en dirons rien de plus, les lecteurs intéressés pouvant aisément s'y référer <math>\;\big\{</math>il y est possible de visualiser les différentes étapes sans que le lancement d'une acquisition ne soit nécessaire <ref> Qui évidemment s'avérerait impossible sans matériel !</ref> mais en cliquant simplement sur les différents liens successifs<math>\}</math> <math>\;\ldots</math> <br> <br> <br> === Autre utilisation de la centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 associée aux logiciels « Synchronie 2003 » et « Regressi » === [[File:Pendulor.jpg|thumb|left|350px|Photo du dispositif « Pendulor » pour étudier le mouvement d'un P.P.A. <ref name="P.P.A." />]] {{Al|5}}Dans ce paragraphe est proposée une 2^nde manipulation utilisant la centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 <math>\,\big[</math>on peut utiliser le dispositif du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant#Description_du_dispositif_expérimental|description du dispositif expérimental]] » présenté plus haut dans ce chapitre, le potentiomètre utilisé devant être monotour <math>\,\big(</math>comme celui représenté dans le paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Utilisation_de_l'interface_«_ORPHY-GTI_»_associée_au_logiciel_«_Regressi_»|précédent]] ci-dessus à droite<math>\big)\,</math> et le pendule étant du type « Pendulor » comme sur la photo ci-contre à gauche <math>\,\big(</math>dans lequel on remarque un cylindre de plastique situé au-delà de <math>\,\Delta_O\,</math> permettant d'y fixer une plaque créant des frottements fluides, les éventuels frottements solides se manifestant au niveau de l'axe de rotation<math>\;\Delta_O\big)\big]</math>, la centrale Eurosmart SysamSP5 étant maintenant pilotée par « Synchronie 2003 » <ref name="Synchronie 2003"> Le logiciel « Synchronie 2003 », distribué par la société Eurosmart, est un logiciel d'acquisition et de traitement du signal, il a été remplacé en 2005 par le logiciel « Latis-pro » ; pour plus d’informations voir le site internet d’Eurosmart « http://www.eurosmart.fr/ ».</ref>{{,}} <ref name="article original pour utilisation de la centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 pilotée par Synchronie 2003"> On peut trouver l'article original sous forme de fichier « .doc » à l'adresse « http://bluestorm.dylc.free.fr/llg/tps2/tpp5-shu.doc », l'auteur « Claude Lebrun » proposant une étude beaucoup plus détaillée que celle que j'ai sélectionnée <math>\;\ldots</math></ref> et les calculs ainsi que les tracés effectués par le logiciel « Regressi » <ref name="Regressi" />. {{Al|5}}<math>\;\succ\;</math>Paramétrage du logiciel « Synchronie 2003 » <ref name="Synchronie 2003" /> et réglage du zéro <ref name ="réglage de Synchronie 2003"> Voir le fichier « http://www.scientillula.net/MPI/fr4_synchronie/fr4_synchron.html » pour régler les paramètres d'acquisition de « Synchronie 2003 ».</ref> : l'acquisition de la tension <math>\,u(t)\,</math> sera faite avec une période d’échantillonnage de <math>\,2,5\; ms\,</math> et pendant une durée de <math>\,2,5\; s</math> {{Nobr|<math>\,\big(</math>il}} y aura donc <math>\,1000\,</math> valeurs captées<math>\big)</math> <math>\,\big[</math>pour les acquisitions de la tension avec prise en compte des frottements solide ou fluide, la durée d'enregistrement sera augmentée à <math>\,12\; s\,</math> avec la même période d'échantillonnage, ce qui correspondra à <math>\,4800\,</math> valeurs captées, ceci dans le but de visualiser l'amortissement<math>\big]</math> ; le réglage du zéro est celui qui a été exposé dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant#Description_du_dispositif_expérimental|description du dispositif expérimental]] (on tourne le support du potentiomètre de façon à ce que la tension captée quand le pendule est à l'équilibre soit inférieure à 10 mV) <ref name="réglage du zéro" /> » plus haut dans ce chapitre et on vérifie, en lançant une acquisition de tension lorsque que le pendule est maintenu avec une élongation de <math>\,\dfrac{\pi}{2}\;rad = 90\,\text{°}</math> <math>\,\big(</math>on trouve <math>\,V1 \simeq 6,0\;V\big)\;</math><ref> On adaptera <math>\,V1\,</math> à la valeur effectivement trouvée.</ref>, l'échelle de correspondance «<math>\;3,00\; V\,</math> pour <math>\,45\; \text{°}\;</math>» <math>\,\Big\{</math>en effet <math>\,24\; V\,</math> pour un tour de potentiomètre donne <math>\,3\; V\,</math> pour <math>\,\dfrac{1}{8}\,</math> de tour correspondant à une élongation angulaire de <math>\,\dfrac{\pi}{4}\;rad = 45\;\text{°}\Big\}</math>. {{Al|5}}<math>\;\succ\;</math>Enregistrements des oscillations et sauvegarde de ces derniers : on lance successivement <math>\,2\,</math> acquisitions après avoir écarté le [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] de sa position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable" /> et l'avoir lâché sans vitesse initiale * la 1^ère correspondant à une grande amplitude <math>\,\big(</math>voisine de <math>\,60\;\text{°}\big)\,</math> avec frottements négligeables sur la durée de l'expérience <math>\,2,5\;s\,</math> et * la 2^nde {{Transparent|correspondant}}à une grande amplitude <math>\,\big(</math>voisine de <math>\,60\;\text{°}\big)\,</math> avec frottements solide et fluide non négligeables sur la durée de l'expérience {{Nobr|<math>\,12\;s</math>,}} puis {{Al|5}}<math>\;\color{transparent}{\succ}\;</math>{{Transparent|Enregistrements des oscillations et sauvegarde de ces derniers : }}on sauvegarde chaque enregistrement dans un fichier différent au format « .txt » en précisant les variables «<math>\;T\;</math>» <ref> « Synchronie 2003 » utilisant une majuscule pour la variable « temps » cela peut créer une confusion pour les mouvements périodiques mais il ne semble pas possible de faire le changement en restant dans le logiciel.</ref> et «<math>\;EAO\;</math>» <math>\,\big(</math>c.-à-d. la tension associée à l'élongation angulaire<math>\big)</math>. {{Al|5}}<math>\;\succ\;</math>Tracé des diagrammes horaires des positions angulaires à l'aide de « Regressi » <ref name="Regressi" /> : on peut alors ouvrir chaque fichier à l'aide de {{Nobr|« Regressi » <ref name="Regressi" />,}} on obtient un tableau donnant «<math>\;T\;</math>» et «<math>\;EAO\;</math>», on modifie alors «<math>\;T\;</math>» en «<math>\;t\;</math>» <ref> Pour que cesse une confusion possible avec la période des oscillations.</ref> et on crée la nouvelle variable «<math>\;\theta\;</math>» à partir <br>{{Al|98}}de «<math>\;EAO\;</math>» selon «<math>\;\theta = EAO \times \dfrac{90}{V1}\;</math>» <math>\,\big(\theta\;</math> étant l'élongation angulaire du pendule exprimée en <math>\,\text{°}\big)\;</math><ref> En effet la tension <math>\,V1\,</math> correspond à l'élongation angulaire <math>\,90\;\text{°}\,</math> d'où la formule <math>\;\ldots</math></ref> puis on enregistre chaque fichier modifié <br>{{Al|98}}au format « .rw3 ». [[File:Pendule pesant non amorti - diagramme horaire de position angulaire.png|thumb|450px|Diagramme horaire de position angulaire d'un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." />{{,}} <ref name="rendre N.A. le P.P."> Pour rendre les frottements fluides négligeables, d'une part, on ne fixe aucune plaque sur le cylindre de plastique situé au-delà de <math>\,\Delta_O\,</math> du dispositif « Pendulor » et d'autre part, la durée d'acquisition reste inférieure à celle de deux oscillations, les frottements solides quant à eux sont négligées sur cette durée d'expérience si la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur l'axe reste libre <math>\,\big(</math>en lubrifiant par exemple<math>\big)</math> <math>\;\ldots</math></ref> écarté de sa position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable" /> et lâché sans vitesse initiale, l'acquisition ayant été faite par centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 associée aux logiciels « Synchronie 2003 » <ref name="Synchronie 2003" /> et « Regressi » <ref name="Regressi" />]] [[File:Pendule pesant non amorti - portrait de phase.png|thumb|450px|[[w:Portrait_de_phase|Portrait de phase]] d'un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." />{{,}} <ref name="rendre N.A. le P.P." /> écarté de sa position d'équilibre {{Nobr|stable <ref name="équilibre stable" />}} et lâché sans vitesse initiale, l'acquisition ayant été faite par centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 associée aux logiciels « Synchronie {{Nobr|2003 » <ref name="Synchronie 2003" />}} et « Regressi » <ref name="Regressi" />]] [[File:Pendule pesant amorti - diagramme horaire de position angulaire - ter.png|thumb|450px|Diagramme horaire de position angulaire d'un P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="rendre A. le P.P."> Pour rendre les frottements fluides notables, d'une part, on fixe une plaque sur le cylindre de plastique situé au-delà de <math>\,\Delta_O\,</math> du dispositif « Pendulor » et d'autre part, la durée d'acquisition doit correspondre à au moins une dizaine de pseudo-oscillations, les frottements solides quant à eux étant négligées sur cette durée d'expérience si la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur l'axe reste libre <math>\,\big(</math>en lubrifiant par exemple<math>\big)</math> et devenant notables si la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur l'axe est plus serrée <math>\;\ldots</math> <br>{{Al|3}}Dans la suite nous supposerons la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur l'axe suffisamment libre pour négliger les frottements solides.</ref> écarté de sa position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable" /> et lâché sans vitesse initiale, l'acquisition, sur une durée permettant d'observer le début des pseudo-oscillations, ayant été faite par centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 associée aux logiciels « Synchronie 2003 » <ref name="Synchronie 2003" /> et « Regressi » <ref name="Regressi" />]] * <u>Diagramme horaire de position angulaire du P.P.N.A.</u> <ref name="P.P.N.A." />{{,}} <ref name="rendre N.A. le P.P." /> : ayant écarté le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." />{{,}} <ref name="rendre N.A. le P.P." /> de <math>\,\theta_0 \simeq +\dfrac{\pi}{3}\;rad \simeq 60\;\text{°}\,</math> de sa position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable" /> et l'ayant lâché sans vitesse initiale, nous lançons l'acquisition à l'aide de « Synchronie 2003 » <ref name="Synchronie 2003" /> sur une durée de <math>\,2,5\;s\,</math> après avoir déterminé l'échelle de conversion des tensions en angles en mesurant <math>\,V1 = 6,06\;V\,</math> <math>\Rightarrow</math> {{Nobr|«<math>\;\theta = EAO \times \dfrac{90}{6,06} \simeq 14,85\;EAO\;</math>»}} <math>\,\big(\theta\,</math> étant en <math>\,\text{°}\,</math> et <math>\,EAO\,</math> en <math>\,V\big)</math>, enregistrons l'acquisition dans un fichier nommé « PPNA_t_theta.txt », l'ouvrons dans « Regressi » <ref name="Regressi" />, le transformons comme indiqué ci-dessus et sauvons le résultat dans un fichier nommé « PPNA_t_theta.rw3 », le diagramme horaire de position angulaire du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." />{{,}} <ref name="rendre N.A. le P.P." /> obtenu par « Regressi » <ref name="Regressi" /> étant présenté ci-contre : <br>{{Al|3}}on y détermine une période de «<math>\;\mathcal{T} \simeq 1,50\;s\;</math>» avec une amplitude «<math>\;\theta_m \simeq 69,2\;\text{°}\;</math>» et bien que le tracé semble, à 1^ère vue, sinusoïdal, on pourrait vérifier qu'il ne l'est pas tout en restant périodique <ref> Le caractère non sinusoïdal s'observant plus aisément sur la dérivée temporelle que sur la fonction, on peut calculer la vitesse angulaire à l'aide de « Regressi » <math>\,\big[</math>dans le menu « Grandeurs » du fichier, après avoir sélectionné « Tableau », cliquer sur « ajouter (une colonne) » puis sélectionner « dérivée » en renseignant tout ce qui est demandé, une fois la colonne de vitesse angulaire établie allez dans le menu « Graphe » du fichier, sélectionnez le tracé de la vitesse angulaire en fonction du temps, puis cliquez sur « Modèles <math>\rightarrow</math> Autres <math>\rightarrow</math> Oscillations <math>\rightarrow</math> Sinusoïde », vous verrez alors la différence entre le diagramme horaire de la vitesse angulaire du P.P.N.A. <math>\,\big(</math>dont les différents points successifs ne sont pas reliés<math>\big)\,</math> et une sinusoïde <math>\,\big(</math>correspondant au modèle<math>\big)\,</math> plus nettement que dans le cas de son diagramme horaire de position angulaire <math>\;\ldots\big]</math>.</ref>{{,}} <ref name="comparaison expérience - résolution numérique"> Une idée de la différence a été vue dans le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Résolution_numérique_de_l'équation_différentielle_d'un_P.P.S._dans_les_C.I._«_1a_»_avec_tracé_des_diagrammes_horaires_de_position,_de_vitesse_et_du_portrait_de_phase_correspondant|résolution numérique de l'équation différentielle d'un P.P.S. dans les C.I. “1a” avec tracé des diagrammes horaire de position, de vitesse et du portrait de phase correspondant]] » du chap.<math>12</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] », les résultats étant indépendants du caractère « simple » du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]], toutefois l'observation expérimentale est moins prononcée que celle résultant de la résolution numérique <math>\;\ldots</math></ref>. * <u>Diagramme horaire de vitesse angulaire du P.P.N.A.</u> <ref name="P.P.N.A." />{{,}} <ref name="rendre N.A. le P.P." /> : ouvrant le fichier « PPNA_t_theta.rw3 » dans « Regressi » <ref name="Regressi" /> correspondant à l'acquisition des positions angulaires du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." />{{,}} <ref name="rendre N.A. le P.P." /> écarté de <math>\,\theta_0 \simeq +\dfrac{\pi}{3}\;rad \simeq 60\;\text{°}\,</math> de sa position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable" /> et lâché sans vitesse initiale, nous évaluons la vitesse angulaire par « Regressi » <ref name="Regressi" /> selon le mode opératoire décrit ci-après « dans le menu “Grandeurs” du fichier, sélectionner “Tableau”, cliquer sur “ajouter (une colonne)” puis sélectionner “dérivée” en renseignant tout ce qui est demandé, une fois la colonne de vitesse angulaire établie aller dans le menu “Graphe” du fichier, sélectionner le tracé de la vitesse angulaire en fonction du temps, on visualise alors le diagramme horaire de vitesse angulaire <math>\,\big(</math>sans que les différents points successifs ne soient reliés<math>\big)</math>, terminer en faisant la sauvegarde du fichier sous le nom “PPNA_t_theta_omega.rw3” » <math>\,\big[</math>tracé non fourni, il est légèrement triangularisé avec une amplitude <math>\simeq 230\,\text{°} \cdot s^{-1}\big]</math>. * <u>[[w:Portrait_de_phase|Portrait de phase]] du P.P.N.A.</u> <ref name="P.P.N.A." />{{,}} <ref name="rendre N.A. le P.P." /> : à partir du fichier « PPNA_t_theta_omega.rw3 » ouvert dans « Regressi » <ref name="Regressi" /> correspondant à l'acquisition des positions angulaires du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." />{{,}} <ref name="rendre N.A. le P.P." /> écarté de <math>\,\theta_0 \simeq +\dfrac{\pi}{3}\;rad \simeq 60\;\text{°}\,</math> de sa position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable" /> et lâché sans vitesse initiale, à laquelle a été ajoutée l'évaluation de la vitesse angulaire correspondant aux différents instants de l'acquisition, on trace le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." />{{,}} <ref name="rendre N.A. le P.P." /> selon le mode opératoire suivant « dans le menu “Graphe” du fichier, sélectionner l'élongation angulaire comme abscisse et la vitesse angulaire comme ordonnée », on obtient alors le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] ci-contre ; même si le tracé obtenu semble, à 1^ère vue, une ellipse, on pourrait vérifier qu'il n'en est rien, le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] restant néanmoins fermé <ref name="comparaison expérience - résolution numérique" />, ceci étant caractéristique d'un mouvement périodique <math>\;\ldots</math> <br> * <u>Diagramme horaire de position angulaire du P.P.A.</u> <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="rendre A. le P.P." /> : ayant écarté le P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="rendre A. le P.P." /> de <math>\,\theta_0 \simeq 10\;\text{°} \simeq +\dfrac{\pi}{18}\;rad \;</math><ref name="raison d'une faible élongation angulaire initiale"> On diminue l'élongation angulaire initiale pour que le [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti <math>\,\big(</math>par frottements fluides<math>\big)\,</math> soit assimilable à un oscillateur harmonique amorti et que la pseudo-amplitude d'oscillation <math>\,\searrow\,</math> de façon exponentielle.</ref> de sa position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable" /> et l'ayant lâché sans vitesse initiale, nous lançons l'acquisition à l'aide de « Synchronie 2003 » <ref name="Synchronie 2003" /> sur une durée de <math>\,12\;s</math>, après avoir vérifié que l'échelle de conversion des tensions en angles reste inchangée en mesurant <math>\,V1 = 6,06\;V\,</math> <math>\Rightarrow</math> {{Nobr|«<math>\;\theta = EAO \times \dfrac{90}{6,06} \simeq 14,85\;EAO\;</math>»}} <math>\,\big(\theta\,</math> étant en <math>\,\text{°}\,</math> et <math>\,EAO\,</math> en <math>\,V\big)</math>, enregistrons l'acquisition dans un fichier nommé « PPA_t_theta.txt », l'ouvrons dans « Regressi » <ref name="Regressi" />, le transformons comme indiqué ci-dessus et sauvons le résultat dans un fichier nommé « PPA_t_theta.rw3 », le diagramme horaire de position angulaire du P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="rendre A. le P.P." /> obtenu par « Regressi » <ref name="Regressi" /> étant présenté ci-contre : <br>{{Al|3}}on y détermine une pseudo-période de «<math>\;\mathcal{T} \simeq 1,49\;s\;</math>» avec une amplitude de la 1^ère pseudo-oscillation «<math>\;\theta_{m,\,1} \simeq 10,1\;\text{°}\;</math>», la <math>\,\searrow\,</math> de la pseudo-amplitude étant exponentielle <ref> En fait pour vérifier qu'elle est effectivement exponentielle il faudrait <math>\,\nearrow\,</math> le nombre de pseudo-oscillations, n'observant que le début de la <math>\,\searrow\,</math> elle se confond avec une <math>\,\searrow\,</math> linéaire <math>\;\ldots</math></ref>{{,}} <ref> Il est aussi possible de vérifier la <math>\,\searrow\,</math> exponentielle de la pseudo-amplitude d'oscillation à l'aide de « Regressi », pour cela suivre le mode opératoire suivant : <br>{{Al|3}}le fichier « PPA_t_theta.rw3 » étant ouvert dans « Regressi », allez dans le menu « Graphe » du fichier, sélectionnez le tracé de l'élongation angulaire en fonction du temps, puis cliquez sur « Modèles <math>\rightarrow</math> Autres <math>\rightarrow</math> Oscillations <math>\rightarrow</math> Amorties (période) », vous observerez alors le tracé de l'amortissement exponentiel.</ref> on peut définir le décrément logarithmique <ref name="décrément logarithmique"> Voir la question « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Exercices/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_du_décrément_logarithmique_et_établissement_de_son_expression_en_fonction_du_facteur_de_qualité|définition du décrément logarithmique et établissement de son expression en fonction du facteur de qualité]] » de l'exercice « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Exercices/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Décrément_logarithmique_d'un_P.E.V.A._(pendule_élastique_vertical_amorti)_et_détermination_du_cœfficient_de_frottement_fluide_entre_le_solide_et_le_fluide_dans_lequel_le_premier_se_déplace|décrément logarithmique d'un P.E.V.A. et détermination du cœfficient de frottement fluide entre le solide et le fluide dans lequel le 1^er se déplace]] » de la série chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref> <math>\,\delta = \ln\! \left[ \dfrac{\theta(t)}{\theta(t + \mathcal{T})} \right] =</math> <math>\dfrac{1}{n}\;\ln\! \left[ \dfrac{\theta(t)}{\theta(t + n\;\mathcal{T})} \right]\,</math> dont la valeur est «<math>\;\delta \simeq 0,112\;</math>» d'où l'évaluation de la constante de temps d'amortissement <math>\,\tau = \dfrac{\mathcal{T}}{\delta} \simeq</math> <math>13,3\;s</math> <math>\,\bigg[</math>la pseudo-amplitude <math>\,\searrow\,</math> selon <math>\,\exp\! \left( - \dfrac{t}{\tau} \right)\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,\delta = \dfrac{\mathcal{T}}{\tau}\bigg]</math>. * <u>Diagramme horaire de vitesse angulaire du P.P.A.</u> <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="rendre A. le P.P." /> : ouvrant le fichier « PPA_t_theta.rw3 » dans « Regressi » <ref name="Regressi" /> correspondant à l'acquisition des positions angulaires du P.P.A. <ref name="P.P.N.A." />{{,}} <ref name="rendre A. le P.P." /> écarté de <math>\,\theta_0 \simeq 10\;\text{°} \simeq +\dfrac{\pi}{18}\;rad\,</math> de sa position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable" /> et lâché sans vitesse initiale, nous évaluons la vitesse angulaire par « Regressi » <ref name="Regressi" /> selon le mode opératoire décrit ci-après « dans le menu “Grandeurs” du fichier, sélectionner “Tableau”, cliquer sur “ajouter (une colonne)” puis sélectionner “dérivée” en renseignant tout ce qui est demandé, une fois la colonne de vitesse angulaire établie aller dans le menu “Graphe” du fichier, sélectionner le tracé de la vitesse angulaire en fonction du temps, on visualise alors le diagramme horaire de vitesse angulaire <math>\,\big(</math>sans que les différents points successifs ne soient reliés<math>\big)</math>, terminer en faisant la sauvegarde du fichier sous le nom “PPA_t_theta_omega.rw3” » <math>\,\big[</math>tracé non fourni, il est légèrement triangularisé avec une 1^ère pseudo-amplitude <math>\simeq 40\,\text{°} \cdot s^{-1}\big]</math>. * <u>[[w:Portrait_de_phase|Portrait de phase]] du P.P.A.</u> <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="rendre A. le P.P." /> : à partir du fichier « PPA_t_theta_omega.rw3 » ouvert dans « Regressi » <ref name="Regressi" /> correspondant à l'acquisition des positions angulaires du P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="rendre A. le P.P." /> écarté de <math>\,\theta_0 \simeq 10\;\text{°}</math> <math>\simeq +\dfrac{\pi}{18}\;rad\,</math> de sa position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable" /> et lâché sans vitesse initiale, à laquelle a été ajoutée l'évaluation de la vitesse angulaire correspondant aux différents instants de l'acquisition, on peut visualiser le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] du P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="rendre A. le P.P." /> <math>\,\big(</math>sans que les différents points successifs ne soient reliés<math>\big)\,</math> selon le mode opératoire suivant « dans le menu “Graphe” du fichier, sélectionner l'élongation angulaire comme abscisse et la vitesse angulaire comme ordonnée » <math>\;\big[</math>tracé non fourni à allure de « patatoïde » <math>\,\big(</math>car les points ne sont pas reliés, la théorie conduisant à un [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] spiralant en direction du point asymptote <math>\,\left\lbrace 0\,,\,0 \right\rbrace\big)\big]</math>. === Mise en évidence de l’amortissement du P.P. === {{Al|5}}On observe pratiquement un amortissement exponentiel dans le diagramme horaire de position angulaire du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Utilisation_de_la_centrale_de_conversion_Eurosmart_SysamSP5_pilotée_par_l’interface_python|utilisation de la centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 pilotée par l'interface python]] » plus haut dans ce chapitre bien que l'amplitude initiale d'oscillations ne soit pas petite <math>\,\big(</math>elle vaut en effet <math>\,\simeq 1,5\;rad \simeq 86\;\text{°}\big)</math>, la pseudo-période valant <math>\,\mathcal{T} \simeq 1,19\;s\,</math> et, en supposant que la pseudo-amplitude <math>\,\searrow\,</math> exponentiellement <ref name="décroissance exponentielle approximative dans le cas des pseudo-amplitudes non petites"> Ce qui sera établi dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’amplitudes_initiales_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'amplitudes initiales non petites]] (d'un P.P.A., approximation des petites élongations angulaires) » plus loin dans le chapitre dans les conditions de faibles valeurs absolues d'élongation angulaire mais qui ne l'est plus algébriquement dès que celles-ci peuvent devenir grandes <math>\,\big(</math>toutefois nous supposerons que cela reste plus ou moins exact numériquement<math>\big)</math>.</ref>, le décrément logarithmique <ref name="décrément logarithmique" /> <math>\,\delta = \ln\! \left[ \dfrac{\theta(t)}{\theta(t + \mathcal{T})} \right] = \dfrac{1}{n}\;\ln\! \left[ \dfrac{\theta(t)}{\theta(t + n\;\mathcal{T})} \right]\,</math> est estimée à «<math>\;\delta \simeq 0,15\;</math>» d'où l'évaluation de la constante de temps d'amortissement <math>\,\tau = \dfrac{\mathcal{T}}{\delta} \simeq 7,9\;s</math> <math>\,\bigg[</math>ceci, dans la mesure où la « pseudo-amplitude <math>\,\searrow\,</math> selon <math>\,\exp\! \left( - \dfrac{t}{\tau} \right)\;</math>» <ref name="décroissance exponentielle approximative dans le cas des pseudo-amplitudes non petites" /> <math>\Rightarrow</math> <math>\,\delta = \dfrac{\mathcal{T}}{\tau}\bigg]</math>. {{Al|5}}Dans le diagramme horaire de position angulaire du P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="rendre A. le P.P." /> du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Autre_utilisation_de_la_centrale_de_conversion_Eurosmart_SysamSP5_associée_aux_logiciels_«_Synchronie_2003_»_et_«_Regressi_»|autre utilisation de la centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 associée aux logiciels “Synchronie 2003” et “Regressi”]] » plus haut dans ce chapitre, la <math>\,\searrow\,</math> exponentielle de la pseudo-amplitude est établie algébriquement <ref name="décroissance exponentielle approximative dans le cas des pseudo-amplitudes non petites" /> car cette dernière reste petite <math>\,\big(</math>la 1^ère pseudo-amplitude valant <math>\,10,1\;\text{°}\big)</math>, revoir l'étude dans le paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Autre_utilisation_de_la_centrale_de_conversion_Eurosmart_SysamSP5_associée_aux_logiciels_«_Synchronie_2003_»_et_«_Regressi_»|précité]] <math>\;\ldots</math> == En complément : équation différentielle du mouvement du pendule pesant amorti (à un degré de liberté) == === C.I. de lancement pour que le mouvement du P.P.A. soit à un degré de liberté === {{Al|5}}Le [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] <math>\,\big(</math>P.P.<math>\big)\,</math> devient « amorti <math>\,\big(</math>A.<math>\big)\;</math>» s’il est soumis <math>\,\big(</math>en plus de son poids et des actions de la liaison en <math>\,O\big)\,</math> à des forces de frottements fluides linéaires, les frottements solides étant toujours considérés comme inexistants : * si la liaison est une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] <math>\,\big(</math>idéale<math>\big)\;</math><ref name="liaison idéale"> C.-à-d. dans laquelle on peut négliger les frottements solides.</ref>, celle-ci imposant un seul degré de liberté de rotation, les C.I. <ref name="C.I."> Condition(s) Initiale(s).</ref> de lancement peuvent être quelconques <math>\,\big[</math>toutefois la liaison n'autorise qu'une vitesse initiale de lancement <math>\,\perp\,</math> à l'axe de la liaison<math>\big]</math> ; * si la liaison est une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] <ref name="liaison sphérique"> Encore appelée « [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison rotule]] », elle laisse trois degrés de liberté en rotation <math>\,\big[</math>deux permettant de définir la direction <math>\,\left( OG \right)\,</math> dans l’espace et un autorisant le solide à tourner autour de l’axe <math>\,\left( OG \right)\big]</math>.</ref> pour laquelle existent trois degrés de liberté de rotation, les C.I. <ref name="C.I." /> de lancement sont les mêmes que celles d'un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> permettant à ce dernier d'avoir un mouvement dans un plan fixe <ref name="C.I. pour un mouvement à un degré de liberté"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#C.I._de_lancement_pour_que_le_mouvement_du_P.P.(N.A.)_soit_à_un_degré_de_liberté|C.I. de lnacement pour que le mouvement du P.P.(N.A.) soit à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> à savoir : <br><math>\;\succ\;</math>« on écarte le P.P.A. <ref name="P.P.A." /> de sa position d’équilibre stable <ref name="équilibre stable" /> et on le lâche sans vitesse initiale <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\;</math><ref name="C.I. pour un mouvement à un degré de liberté" /> » ou <br><math>\;\succ\;</math>« on écarte le P.P.A. <ref name="P.P.A." /> de sa position d’équilibre stable <ref name="équilibre stable" /> et on le lâche avec une vitesse initiale de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> située dans le plan vertical contenant <math>\,O\;\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\;</math><ref name="C.I. pour un mouvement à un degré de liberté" /> ». {{Al|5}}<u>Remarque</u> : dans le cas où la liaison est une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] <math>\,\big(</math>idéale<math>\big)\;</math><ref name="liaison idéale" />, les C.I. de lancement sont aussi les «<math>\;\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\;</math> ou <math>\;\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\;</math>» <ref name="C.I. pour un mouvement à un degré de liberté" />, la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] imposant que le C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> ne peut être lancé que dans un plan transversal à la liaison <math>\;\ldots</math> === Dans le cas d’une liaison sphérique et avec les C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), établissement de la nature plane du mouvement du C.D.I. G du P.P.A. === [[File:Pendule pesant amorti à un degré de liberté - forces extérieures.png|thumb|360px|Schéma d'un P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] <ref name="liaison sphérique" /> avec ajout des actions extérieures, repérage cylindro-polaire d'axe <math>\,\overrightarrow{Oz}\,</math> vertical <math>\,\downarrow\,</math> du C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\;</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]], <math>\,I\,</math> étant le point où la résultante des forces de frottement fluide peut être appliquée]] {{Al|5}}La démonstration est analogue à celle exposée dans le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#En_complément,_établissement_de_la_nature_plane_du_mouvement_du_P.P.S.A._lancé_dans_les_C.I._«_1a_»_ou_«_1b_»|en complément, établissement de la nature plane du mouvement du P.P.S.A. lancé dans les C.I. “1a” ou “1b”]] » du chap.<math>12</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] », on y établit la nature plane du mouvement du {{Nobr|P.P.S.A. <ref name="P.P.S.A."> [[w:Pendule_simple|Pendule Pesant Simple]] Amorti.</ref>}} lancé dans les C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;1a\;</math>» ou «<math>\;1b\;</math>» <ref name="C.I. 1a ou 1b"> Voir les C.I. de lancement du P.P.S.(N.A.) pour que le mouvement de ce dernier soit à un degré de liberté dans le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Conditions_initiales_(C.I.)_de_lancement_«_1a_»_ou_«_1b_»_induisant_un_mouvement_du_P.P.S._à_un_degré_de_liberté|conditions initiales (C.I.) de lancement 1a ou 1b induisant un mouvement du P.P.S. à un degré de liberté]] » du chap.<math>12</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, toutefois, ici, la démonstration nécessitant de légères adaptations est exposée de nouveau ci-dessous : {{Al|5}}les actions extérieures exercées sur le [[w:Pendule_pesant|pendule]] sont <math>\,\big(</math>voir schéma ci-contre<math>\big)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids «<math>\;m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\;</math>» de moment vectoriel par rapport à <math>\,O\,</math> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = \overrightarrow{OG}(t) \wedge m\;\vec{g} =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}<math>\mathfrak{a}\;\vec{u}_{r_G}(t) \wedge m\;\vec{g}\;</math>» <ref name="déf de urG"> <math>\;\vec{u}_{r_G}(t)\;</math> étant le 1^er vecteur de base sphérique de pôle <math>\;O\;</math> associé au point <math>\;G</math>.</ref> dans lequel <math>\,\vec{u}_{r_G}(t) = \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\, \vec{u}_{\rho_G}(t) + \cos\! \left[ \theta_G(t) \right]\, \vec{u}_z\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}<math>\mathfrak{a}\, \left\lbrace \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\, \vec{u}_{\rho_G}(t) + \cos\! \left[ \theta_G(t) \right]\, \vec{u}_z \right\rbrace \wedge m\;g\;\vec{u}_z\;</math> ou, en utilisant la distributivité de la multiplication par un <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}scalaire et celle de la multiplication vectorielle par rapport à la même addition vectorielle <ref name="distributivité de la multiplication vectorielle relativement à l'addition vectorielle"> Voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Propriétés_2|propriétés]] de la multiplication vectorielle » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}<math>= \mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\, \vec{u}_{\rho_G}(t) \wedge m\;g\;\vec{u}_z\; \cancel{+\; \mathfrak{a}\; \cos\! \left[ \theta_G(t) \right]\, \vec{u}_z \wedge m\;g\;\vec{u}_z} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\varphi_G}(t)\;</math>» <ref> En effet la base <math>\,\left\lbrace \vec{u}_{\rho_G}(t), \,\vec{u}_z, \, \vec{u}_{\varphi_G}(t) \right\rbrace\,</math> étant direct, <math>\,\vec{u}_{\rho_G}(t) \wedge \vec{u}_z = -\vec{u}_{\varphi_G}(t)</math>.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>les actions de la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] en <math>\,O\,</math> se réduisant à « la réaction <math>\,\vec{R}(t)\;</math>», appliquée en <math>\;O</math>, se décomposant <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}a priori selon <math>\,\vec{R}(t) = R_{\rho_G}(t)\;\vec{u}_{\rho_G}(t) + R_{\varphi_G}(t)\;\vec{u}_{\varphi_G}(t) + R_z(t)\;\vec{u}_z\;</math><ref name="existence des trois composantes de la réaction"> Les trois composantes existent a priori si le [[w:Pendule_pesant|pendule]] est lancé avec une vitesse initiale non contenue dans le plan vertical de lancement.</ref> mais, avec les C.I. <ref name="C.I." /> de lancement <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;1a\;</math>» ou «<math>\;1b\;</math>» <ref name="C.I. 1a ou 1b" />, celle-ci se simplifie en <math>\,\vec{R}(t) = R_{\rho_G}(t)\;\vec{u}_{\rho_G}(t) + R_z(t)\;\vec{u}_z\;</math><ref name="réduction à deux composantes de la réaction dans ces C.I."> Si les C.I. de lancement du [[w:Pendule_pesant|pendule]] sont celles décrites au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#C.I._de_lancement_pour_que_le_mouvement_du_P.P.(N.A.)_soit_à_un_degré_de_liberté|C.I. de lancement pour que le mouvement du P.P.(N.A.) soit à un degré de liberté]] (dans le cas d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]]) » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] », la composante de la réaction sur <math>\,\vec{u}_{\varphi_G}(t)\,</math> est nulle c.-à-d. <math>\,R_{\varphi_G}(t) = 0\;\;\forall\;t\,</math> et par suite <math>\,\vec{R}(t) = R_{\rho_G}(t)\;\vec{u}_{\rho_G}(t) + R_z(t)\;\vec{u}_z</math>, en effet <br>{{Al|3}}une composante de réaction suivant une direction existe pour s’opposer à <math>\,\big(</math>ou limiter<math>\big)\,</math> une action suivant la direction considérée <math>\,\big\{</math><u>ce qui est le cas de la composante suivant</u><math>\;\vec{u}_z</math>, la seule action extérieure « le poids » étant suivant <math>\,\vec{u}_z</math>, la foce de frottement fluide étant une réaction<math>\big\}</math> ou <br>{{Al|3}}{{Transparent|une composante de réaction suivant une direction existe }}si un mouvement existe suivant la direction considérée à l'instant <math>\,0</math>, mouvement selon cette direction qui se poursuit en étant modifié par l'action <math>\,\big\{</math><u>ce qui est le cas de la composante de</u><math>\;\vec{R}\;</math><u>suivant</u><math>\;\vec{u}_{\rho_G}\,</math> dans les <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\,</math> de lancement, la seule action extérieure « le poids » étant suivant <math>\,\vec{u}_z\,</math> et la vitesse initiale de lancement <math>\,\vec{V}_G(0) =</math> <math>\Vert \vec{V}_G(0) \Vert \left[ \cos(\theta_0)\;\vec{u}_{\rho_G}(0) - \sin(\theta_0)\;\vec{u}_z \right]\,</math> ayant deux composantes suivant <math>\,\vec{u}_{\rho_G}(0)\,</math> et <math>\,\vec{u}_z</math> <math>\,\big[</math>à l'instant <math>\,0\,</math> les forces extérieures étant dans le plan vertical de lancement <math>\,\big(</math>la force de frottement fluide étant de même direction et de sens contraire à la vitesse<math>\big)\,</math> <math>\Rightarrow</math> le vecteur accélération initial de <math>\,G\,</math> y est contenu, de même que le vecteur vitesse initial de <math>\,G</math>, d'où on en déduit que le vecteur vitesse de <math>\,G\,</math> à un instant légèrement postérieur <math>\,\delta t\,</math> est aussi contenu dans le plan vertical de lancement de même que la force de frottement fluide <math>\,\ldots\,</math> ainsi on établit, par récurrence, que la réaction à l'instant <math>\,t\,</math> est dans le plan vertical de lancement<math>\big]\,</math> et <u>n'est pas le cas de la composante de</u><math>\,\vec{R}\,</math><u>suivant</u><math>\;\vec{u}_{\varphi_G}\,</math> dans les <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\,</math> ou <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\,</math> de lancement par absence simultanée de composante d'action et de vitesse à un instant juste antérieur <math>\,\big[</math>dans les <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\,</math> de lancement, il n'y a pas de vitesse initiale mais le mouvement démarrant suivant <math>\,\vec{u}_z\,</math> entraîne un mouvement suivant <math>\,\vec{u}_{\rho_G}\,</math> de façon à ce que la distance <math>\,OG\,</math> reste constante<math>\big]\big\}</math></ref> de vecteur moment par <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}rapport à <math>\,O\,</math> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = \vec{0}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>les actions des « forces de frottement fluide » supposées « linéaires » <ref> Bien que les conditions de frottement fluide vues dans le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Forces,_principe_des_actions_réciproques#En_complément,_condition_de_vitesse_relativement_aux_dimensions_du_système_de_points_matériels_fermé_indéformable_en_translation_dans_un_fluide_immobile_et_relativement_à_la_nature_de_ce_dernier_pour_une_forme_linéaire_ou_quadratique_de_frottement_fluide|en complément, condition de vitesse relativement aux dimensions du système de points matériels fermé indéformable dans un fluide immobile et relativement à la nature de ce dernier pour une forme linéaire ou quadratique de frottement fluide]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » et appliquées aux mouvements d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] nécessiteraient une forme quadratique de résistance à l'avancement du P.P. dans son environnement fluide pour coller de plus près à la réalité, nous faisons l'hypothèse d'une forme linéaire, celle-ci n'induisant qu'une faible erreur de traitement <math>\,\big(</math>et conduisant à une solution analytique dans le cas des faibles valeurs absolues d'élongations angulaires<math>\big)</math>.</ref> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions }}un pseudo point centré en <math>\,M</math>, point quelconque de la surface latérale <ref name="pseudo point d'une expansion surfacique"> Un pseudo point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M</math>, en translation dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> à la vitesse à l'instant <math>\,t</math> «<math>\;\vec{V}_M(t)\;</math>».</ref> du front du P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="front"> Le front d'un solide en translation dans un fluide globalement au repos est la projection orthogonale du solide sur un plan transverse c.-à-d. sur un plan <math>\,\perp\,</math> au vecteur vitesse du solide.</ref> de <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions }}[[w:Maître-couple|maître couple]] d'aire <math>\,{dS'}_{\!\!M}\;</math><ref name="maître couple"> Le [[w:Maître-couple|maître couple]] est défini pour un objet <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation, c'est la projection orthogonale de l'objet sur un plan transverse c.-à-d. sur un plan <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\vec {V}_{(\mathcal {S})}(t)</math> ; <br>{{Al|3}}quand le mouvement est quelconque on peut définir un [[w:Maître-couple|maître couple]] pour chaque pseudo-point <math>\,(M,\,dS)\,</math> de la surface latérale du front de l'objet <math>\,\big(</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#cite_note-front-60|⁶⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big)</math> ; <br>{{Al|3}}{{Transparent|quand le mouvement est quelconque }}l'aire du [[w:Maître-couple|maître couple]] de <math>\,(M,\,dS)\,</math> du plan localement transverse à savoir «<math>\;{dS'}_{\!\!M}\;</math>» est aussi la projection orthogonale de <math>\,dS\,</math> sur ce plan.</ref> subit une force de frottement fluide linéaire «<math>\;\overrightarrow{d \mathcal{R}}_{dS,\,\text{flu}}(M) = -h\;\vec{V}_M\;\dfrac{{dS'}_{\!\!M}}{S'}\;</math>» <math>\Bigg\{</math>«<math>\;S' = \displaystyle\iint\limits_{S_{\text{lat. front}}} {dS'}_{\!\!M}\;</math>» <ref name="intégrale surfacique"> Voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref> étant l'aire du [[w:Maître-couple|maître couple]] <br>{{Al|3}}{{Transparent|quand le mouvement est quelconque }}du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> <math>\,\big(</math>en toute rigueur le front de la surface latérale dépendant du sens de déplacement du [[w:Pendule_pesant|pendule]], <math>\,{dS'}_{\!M}\,</math> et <math>\,S'\,</math> en dépendent, néanmoins nous supposerons, <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions }}pour simplifier l'étude, qu'il n'en est rien <ref name="front de surface latérale indépendante du sens de déplacement"> Par exemple en supposant que le [[w:Pendule_pesant|pendule]], dans sa position initiale de lancement, est géométriquement symétrique relativement au plan contenant <math>\,OG\,</math> et <math>\,\perp\,</math> au plan vertical de lancement.</ref><math>\big)</math>, «<math>\;h\;</math>» une constante positive <math>\,\big(</math>exprimée en <math>\;kg \cdot s^{-1}\big)\,</math> caractéristique du frottement linéaire dépendant de la [[w:Viscosité_dynamique|viscosité]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions }}[[w:Viscosité_dynamique|dynamique]] <ref name="viscosité dynamique"> La définition de la [[w:Viscosité_dynamique|viscosité dynamique]] d'un fluide <math>\,\eta_{\text{flu}}\,</math> n'est pas au programme de P.C.S.I. mais on peut en donner une 1^ère notion élémentaire en considérant une couche de fluide de faible épaisseur se déplaçant sur un plan immobile, le plan exercera sur la couche une force de frottement qui tendra à ralentir le déplacement de la couche et ceci d'autant plus que le fluide sera visqueux {{Nobr|<math>\,\big(</math>c.-à-d.}} qu'il « collera » au plan<math>\big)</math> ; <br>{{Al|3}}si on considère maintenant le fluide visqueux d'épaisseur <math>\,e\,</math> non petite se déplaçant sur le plan immobile par entrainement de sa couche supérieure <math>\,\big(</math>cette couche supérieure étant entraînée par ce qu'il y a au-dessus, par exemple le vent sur un cours d'eau ou un plan mobile sur de l'huile<math>\big)</math>, la vitesse en son sein varie suivant l'altitude <math>\,z\,</math> car la couche inférieure à l'altitude <math>\,z_i = 0\,</math> tend à avoir la même vitesse que le plan sur lequel elle repose alors que la couche supérieure à l'altitude <math>\,z_s = e > 0\,</math> a la même vitesse que l'objet qui l'entraîne : une couche intermédiaire de fluide de faible épaisseur à l'altitude <math>\,z \in \left] 0\,,\, e \right[\,</math> va donc subir deux forces de contact, celle de la couche immédiatement supérieure d'altitude <math>\,z^{+}\,</math> qui va plus vite qu'elle et tend à l'entraîner et celle de la couche immédiatement inférieure d'altitude <math>\,z^{-}\,</math> qui va moins vite qu'elle et tend à la ralentir, on parlera de forces de cisaillement car les deux forces agissent en sens contraires ; on établit que la [[w:Contrainte_de_cisaillement|contrainte de cisaillement]] {{Nobr|<math>\,\big[</math>c.-à-d.}} la norme commune des forces tangentielles de cisaillement rapportée à l'unité de surface des couches en regard<math>\big]\,</math> que l'on notera <math>\,\tau_{\text{cis}} = \bigg\Vert \dfrac{d \vec{f}_{z\,\leftarrow\,z^{+}}}{d \Sigma} \bigg\Vert = \bigg\Vert \dfrac{d \vec{f}_{z\,\leftarrow\,z^{-}}}{d \Sigma} \bigg\Vert\,</math> s'exprimant en <math>\,Pa</math>, <math>\,d \Sigma\,</math> étant l'aire élémentaire commune des couches en regard, est liée à la [[w:Viscosité_dynamique|viscosité dynamique]] <math>\,\eta_{\text{flu}}\,</math> du fluide par <math>\,\tau_{\text{cis}} = \eta_{\text{flu}}\; \bigg\Vert \dfrac{d \vec{V}_{\text{couche}_z}}{d z} \bigg\Vert\,</math> avec <math>\,\vec{V}_{\text{couche}_z}\,</math> le vecteur vitesse de translation de la couche d'altitude <math>\,z</math>, ceci impliquant que la [[w:Viscosité_dynamique|viscosité dynamique]] <math>\,\eta_{\text{flu}}\,</math> du fluide s'exprime en <math>\,Pa \cdot s\,</math> <math>\big[</math>encore appelé « poiseuille » de symbole <math>\,Pl</math>, ce nom ayant été donné en hommage à '''[[w:Jean-Léonard-Marie_Poiseuille|Jean-Léonard-Marie Poiseuille]] (1797 - 1869)''' physicien et médecin français pour son étude de l'écoulement du sang dans les vaisseaux et la généralisation de celle-ci aux [[w:Écoulement_laminaire|écoulements laminaires]] des fluides visqueux dans les tuyaux cylindriques<math>\big]</math> ;<br>{{Al|3}}c'est aussi ce qu'on observe lors de la circulation d'un fluide dans une conduite, les molécules de fluide au contact de la conduite tendant à rester immobiles alors que celles sur l'axe de la conduite {{Nobr|<math>\,\big(</math>c.-à-d.}} les molécules les plus éloignées des parois de la conduite<math>\big)\,</math> ont la vitesse maximale <math>\;\ldots</math> <br>{{Al|3}}on définit aussi une autre viscosité appelée [[w:Viscosité_cinématique|viscosité cinématique]] notée <math>\,\nu_{\text{flu}}\,</math> qui dépend de la [[w:Viscosité_dynamique|viscosité dynamique]] <math>\,\eta_{\text{flu}}\,</math> du fluide ainsi que de sa masse volumique <math>\,\mu_{\text{flu}}\,</math> selon <math>\,\nu_{\text{flu}} = \dfrac{\eta_{\text{flu}}}{\mu_{\text{flu}}}\,</math> s'exprimant donc en <math>\,m^2 \cdot s^{-1}\,</math> <math>\big[</math>mais cette unité étant relativement grande on en a introduit une mieux adaptée le « stokes » de symbole <math>\,St\,</math> égal à <math>\,1\,St = 10^{-4}\,m^2 \cdot s^{-1}\big]</math> ; '''[[w:George_Gabriel_Stokes|George Gabriel Stokes]] (1819 - 1903)''' est un mathématicien et physicien britannique à qui on doit, dans le domaine de la physique, d'importants travaux en [[w:Mécanique_des_fluides|mécanique des fluides]], l'étude des variations de la gravitation à la surface de la terre <math>\,\big(</math>il est considéré comme l'un des initiateurs de la [[w:Géodésie|géodésie]]<math>\big)\,</math> et aussi l'explication du phénomène de [[w:Fluorescence|fluorescence]].</ref> et de la densité du fluide <ref name="influence de la densité du fluide sur les frottements fluides"> Par exemple un objet rentrant dans l'atmosphère subira une résultante de forces de frottement fluide plus faible dans la haute atmosphère <math>\,\big(</math>où la densité est faible, l'atmosphère y étant raréfiée<math>\big)\,</math> que dans l'atmosphère proche du sol.</ref> ainsi que « de la forme et des dimensions du système de points matériels »<math>\Bigg\}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions un pseudo point }}<math>\succ\;</math>la résultante des forces de frottement fluide «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{R}}_{\!\text{flu}} = \displaystyle\iint\limits_{S_{\text{lat. front}}} \overrightarrow{d \mathcal{R}}_{dS,\,\text{flu}}(M) = -\dfrac{h}{S'}\! \displaystyle\iint\limits_{S_{\text{lat. front}}} \vec{V}_{\!M}\;{dS'}_{\!\!M}\;</math>» <ref name="intégrale surfacique" /> laquelle se réécrit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions un pseudo point <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>}}en définissant <math>\;I</math>, point solidaire du [[w:Pendule_pesant|pendule]], selon «<math>\;\overrightarrow{OI} = \dfrac{1}{S'}\! \displaystyle\iint\limits_{S_{\text{lat. front}}} \overrightarrow{OM}\;{dS'}_{\!\!M}\;</math>» <ref name="intégrale surfacique" />{{,}} <ref name="unicité de I"> Supposant, pour simplifier l'étude, que la forme du front de la surface latérale ne dépend pas du sens de déplacement du [[w:Pendule_pesant|pendule]] et donc que <math>\,{dS'}_{\!M}\,</math> ainsi que <math>\,S'\,</math> n'en dépendent pas non plus, l'intégrale de définition de <math>\,I\,</math> est la même pour les deux sens de déplacement du [[w:Pendule_pesant|pendule]].</ref>{{,}} <ref name="positionnement relatif de I par rapport à G"> Compte-tenu des définitions de <math>\,I</math> <math>\,\big(</math>qui ne dépend que du positionnement des [[w:Maître-couple|maîtres couples]] locaux sans influence des masses<math>\big)\,</math> et de <math>\,G</math> <math>\,\big(</math>qui dépend de la répartition des masses en volume<math>\big)</math>, {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{OI}\;</math>»}} n’est en général pas dans le plan vertical contenant «<math>\;\overrightarrow{OG}\;</math>».</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions un pseudo point <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>}}en dérivant <math>\,\overrightarrow{OI}\,</math> par rapport au temps, «<math>\;\vec{V}_I(t) = \dfrac{1}{S'}\! \displaystyle\iint\limits_{S_{\text{lat. front}}} \vec{V}_{\!M}(t)\;{dS'}_{\!\!M}\;</math>» <ref name="intégrale surfacique" />, «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{R}}_{\!\text{flu}}(t) = -h\;\vec{V}_I(t)\;</math>» <ref name="vecteurs vitesse des points liés au pendule"> Même si <math>\,I\,</math> n’est pas dans le plan vertical contenant «<math>\;\overrightarrow{OG}\;</math>», <math>\,I\,</math> et <math>\,G\,</math> sont des points liés au solide tournant autour de son point fixe <math>\,O\,</math> et on en déduit «<math>\;\vec{V}_G(t) = \vec{\Omega}(t) \wedge \overrightarrow{OG}(t)\;</math>» ainsi que «<math>\;\vec{V}_I(t) = \vec{\Omega}(t) \wedge \overrightarrow{OI}(t)\;</math>» où «<math>\;\vec{\Omega}(t)\;</math>» est le vecteur rotation instantanée <math>\,\perp\,</math> au plan vertical contenant «<math>\;\overrightarrow{OG}\;</math>».</ref> s’appliquant en <math>\,I\;</math><ref name="positionnement relatif de I par rapport à G" />{{,}} <ref name="justification de varphiI = varphiG et de l'hypothèse thetaI = thetaG"> Toutefois la seule action extérieure motrice étant le poids, lequel n'a pas de composante hors du plan vertical contenant <math>\,\overrightarrow{OG}\,</math> et en absence de vitesse initiale de <math>\,G\,</math> hors de ce plan, la résultante des forces de frottement fluide ne peut avoir de composante hors de ce plan et comme celle-ci est <math>\,\propto\,</math> à <math>\,\vec{V}_I</math>, on en déduit que le vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_I\,</math> doit être <math>\,\parallel\,</math> à ce plan et par suite que l'éventuelle composante de <math>\,\overrightarrow{OI}\,</math> hors de ce plan devant être constante pour chaque sens de déplacement du [[w:Pendule_pesant|pendule]] est finalement nulle si on suppose que le [[w:Pendule_pesant|pendule]] est géométriquement symétrique relativement à ce plan, on peut donc aisément supposer que «<math>\;I\;</math>» <math>\,\in\,</math> au plan vertical contenant <math>\,\overrightarrow{OG}</math> ; <br>{{Al|3}}<math>\,I\,</math> étant comme <math>\,G\,</math> solidaires du [[w:Pendule_pesant|pendule]], l'angle <math>\,\theta_I\,</math> que fait <math>\,\overrightarrow{OI}\,</math> avec la verticale <math>\downarrow</math> passant par <math>\,O\,</math> est lié de façon unique à l'angle <math>\,\theta_G\,</math> que fait <math>\,\overrightarrow{OG}\,</math> avec cette même verticale <math>\downarrow</math> passant par <math>\,O</math>, le lien le plus simple est de supposer que <math>\,\theta_I = \theta_G\,</math> et c'est l'hypothèse que nous admettrons <math>\,\big(</math>mais en fait tout dépend du lien existant entre la répartition des masses dans le [[w:Pendule_pesant|pendule]] et celle des [[w:Maître_couple|maîtres couples]] locaux<math>\big)</math>, pour simplifier on a donc représenté <math>\,I\,</math> sur le support de <math>\,\overrightarrow{OG}</math>.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions un pseudo point }}<math>\succ\;</math>le vecteur moment par rapport à <math>\,O\,</math> des forces de frottement fluide «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{O,\,\text{flu}} = \overrightarrow{OI} \wedge \overrightarrow{\mathcal{R}}_{\!\text{flu}} = -h\;\overrightarrow{OI} \wedge \left[ \vec{\Omega} \wedge \overrightarrow{OI} \right]\;</math>» <ref name="vecteurs vitesse des points liés au pendule" /> soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions un pseudo point <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>}}en utilisant une formule du double produit vectoriel <ref name="formules du double produit vectoriel"> Voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Formules_du_double_produit_vectoriel|formules du double produit vectoriel]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] », la formule utilisée étant «<math>\;\vec{u} \wedge \left( \vec{v} \wedge \vec{w} \right) = \left( \vec{u} \cdot \vec{w} \right) \vec{v} - \left( \vec{u} \cdot \vec{v} \right) \vec{w}\;</math>».</ref>, «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{O,\,\text{flu}} = -h \left[ \overrightarrow{OI}^2\;\vec{\Omega} - \left( \overrightarrow{OI} \cdot \vec{\Omega} \right) \overrightarrow{OI} \right]\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions un pseudo point <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>}}faisant les hypothèses simplificatrices «<math>\;I\,\in\,</math> au plan vertical contenant <math>\,\overrightarrow{OG}\;</math>» en accord avec les C.I. <ref name="C.I." /> de lancement et «<math>\;\theta_I = \theta_G\;</math>» <ref name="justification de varphiI = varphiG et de l'hypothèse thetaI = thetaG" /> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions un pseudo point <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>faisant les hypothèses simplificatrices }}«<math>\;\vec{\Omega} = \dot{\theta}_G\;\vec{u}_{\varphi_G} + \dot{\varphi}_G\;\vec{u}_z\;</math>» et «<math>\;\overrightarrow{OI} = r_I\;\vec{u}_{r_G}\;</math>» d'où «<math>\;\overrightarrow{OI} \cdot \vec{\Omega} = \cancel{r_I\;\dot{\theta}_G \left( \vec{u}_{r_G} \cdot \vec{u}_{\varphi_G} \right) +}\; r_I\;\dot{\varphi}_G \left( \vec{u}_{r_G} \cdot \vec{u}_z \right)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions un pseudo point <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>faisant les hypothèses simplificatrices «<math>\;\color{transparent}{\vec{\Omega} = \dot{\theta}_G\;\vec{u}_{\varphi_G} + \dot{\varphi}_G\;\vec{u}_z}\;</math>» et «<math>\;\color{transparent}{\overrightarrow{OI} = r_I\;\vec{u}_{r_G}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\overrightarrow{OI} \cdot \vec{\Omega}}\,</math> }}<math>= r_I\;\dot{\varphi}_G\;\cos(\theta_G)\;</math>» <ref> En effet la base sphérique <math>\,\left\lbrace \vec{u}_{r_G}\,,\,\vec{u}_{\theta_G}\,,\,\vec{u}_{\varphi_G} \right\rbrace\,</math> liée à <math>\,G\,</math> étant orthonormée directe <math>\,\big\{</math>c.-à-d. utilisant, dans un espace orienté à droite <math>\,\big[</math>voir l'« introduction du paragraphe [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Produit_vectoriel_de_deux_vecteurs|produit vectoriel de deux vecteurs]] (pour la signification d'espace orienté à droite) » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]</math>, la règle de la main droite, voir la description et d'autres règles identiques dans la note « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#cite_note-règle_de_la_main_droite-17|¹⁷]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big\}\,</math> on a «<math>\;\vec{u}_{r_G} \cdot \vec{u}_{\varphi_G} = 0\;</math>» d'une part et d'autre part «<math>\;\vec{u}_{r_G} \cdot \vec{u}_z = \cos(\theta_G)\;</math>» <math>\,\theta_G\,</math> étant l'angle entre <math>\,\vec{u}_z\,</math> et <math>\,\vec{u}_{r_G}</math> <math>\,\big\{</math>angle <math>\,\geqslant 0</math>, les angles du plan méridien étant orientés par <math>\,\vec{u}_{\varphi_G}\,</math> selon la règle du tire-bouchon de Maxwell <math>\,\big[</math>tire-bouchon pour droitier, plaçant un bouchon en un point <math>\,M\,</math> de l'espace et tournant le tire-bouchon de façon à ce qu'il s'enfonce dans le bouchon, l'orientation est donnée par les sens associés de rotation et de translation au point <math>\,M</math>, elle est dite « à droite » parce qu'il faut tourner vers la droite pour que le tire-bouchon s'enfonce dans le bouchon<math>\big]\big\}</math> ; <br>{{Al|3}}'''[[w:James_Clerk_Maxwell|James Clerk Maxwell]] (1831 - 1879)''' physicien et mathématicien écossais, principalement connu pour ses [[w:Équations_de_Maxwell|équations]] unifiant l'électricité, le magnétisme et l'induction ainsi que pour l'établissement du caractère électromagnétique des ondes lumineuses, mais aussi pour sa [[w:Loi_de_distribution_des_vitesses_de_Maxwell#Énoncé|distribution des vitesses]] utilisée dans une description statistique de la [[w:Théorie_cinétique_des_gaz|théorie cinétique des gaz]] ; le tire-bouchon fictif portant son nom a été baptisé ainsi en son honneur.</ref>, on en déduit <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions un pseudo point <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>faisant les hypothèses simplificatrices }}«<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{O,\,\text{flu}} = -h\;r_I^2 \left\lbrace \dot{\theta}_G\;\vec{u}_{\varphi_G} + \dot{\varphi}_G \left[ \vec{u}_z - \cos(\theta_G)\;\vec{u}_{r_G} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref> En effet <math>\,\overrightarrow{\mathcal{M}}_{O,\,\text{flu}} = -h \left\lbrace r_I^2 \left[ \dot{\theta}_G\;\vec{u}_{\varphi_G} + \dot{\varphi}_G\;\vec{u}_z \right] - r_I^2\;\dot{\varphi}_G\;\cos(\theta_G)\;\vec{u}_{r_G} \right\rbrace = -h\;r_I^2 \left\lbrace \dot{\theta}_G\;\vec{u}_{\varphi_G} + \dot{\varphi}_G \left[ \sin^2(\theta_G)\;\vec{u}_z - \sin(\theta_G)\;\cos(\theta_G)\;\vec{u}_{\rho_G} \right] \right\rbrace\,</math> se réécrit en base cylindro-polaire liée à <math>\,G\,</math> sachant que <math>\,\vec{u}_{r_G} =</math> <math>\cos(\theta_G)\;\vec{u}_z + \sin(\theta_G)\;\vec{u}_{\rho_G}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,\vec{u}_z - \cos(\theta_G)\;\vec{u}_{r_G} = \left[ 1 - \cos^2(\theta_G) \right] \vec{u}_z - \sin(\theta_G)\;\cos(\theta_G)\;\vec{u}_{\rho_G} = \sin^2(\theta_G)\;\vec{u}_z - \sin(\theta_G)\;\cos(\theta_G)\;\vec{u}_{\rho_G}\,</math> soit l'expression finale donnée.</ref> ou encore, en posant «<math>\;H = h\,r_I^2\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions un pseudo point <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>faisant les hypothèses simplificatrices }}«<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{O,\,\text{flu}}(t) = -H\; \dot{\theta}_G(t)\;\vec{u}_{\varphi_G}(t) - H\; \dot{\varphi}_G(t) \left\lbrace \sin^2\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_z - \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\cos\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\rho_G}(t) \right\rbrace\;</math>» <ref> En effet <math>\,\vec{u}_{r_G} = \cos(\theta_G)\;\vec{u}_z + \sin(\theta_G)\;\vec{u}_{\rho_G}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,\vec{u}_z - \cos(\theta_G)\;\vec{u}_{r_G} = \vec{u}_z - \cos(\theta_G) \left[ \cos(\theta_G)\;\vec{u}_z + \sin(\theta_G)\;\vec{u}_{\rho_G} \right] = \sin^2(\theta_G)\;\vec{u}_z - \cos(\theta_G)\;\sin(\theta_G)\;\vec{u}_{\rho_G}</math>.</ref>. {{Al|5}}<u>Démonstration de la nature plane du mouvement de</u><math>\;G\;</math><u>dans les</u><math>\;\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\;</math><u>de lancement</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane }}le théorème du mouvement du C.D.I. <ref name="C.D.I." /> appliqué au P.P.A. <ref name="P.P.A." /> «<math>\;m\;\vec{g} + \vec{R}(t) + \overrightarrow{\mathcal{R}}_{\!\text{flu}}(t) = m\;\vec{a}_G(t)\;\; (\mathfrak{2})\;</math>» <ref name="théorème du mouvement du C.D.I."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Principe_fondamental_de_la_dynamique_et_théorème_de_la_résultante_cinétique#Énoncé_du_théorème_(dynamique_newtonienne)|énoncé du théorème (dynamique newtonienne)]] (du mouvement du centre d'inertie d'un système fermé de points matériels) » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] », sa généralisation, sans aucune restriction, à un système continu fermé de matière d'expansions tridimensionnelle, surfacique ou linéique étant admise.</ref> avec «<math>\;m\;\vec{g}\,</math> et <math>\,\vec{R}\,</math> dans le plan <math>\,\left( \vec{u}_{\rho_G}\,,\, \vec {u}_z \right)\;</math>» d'une part <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane }}ainsi que «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{R}}_{\!\text{flu}} = -h\;\vec{V}_I = -h \left[ \vec{\Omega} \wedge \overrightarrow{OI} \right] = -h \left[ \dot{\theta}_G\;\vec{u}_{\varphi_G} + \dot{\varphi}_G\;\vec{u}_z \right] \wedge r_I\;\vec{u}_{r_G}\;</math>» <ref> En utilisant la distributivité de la multiplication vectorielle relativement à l'addition vectorielle <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Propriétés_2|propriétés]] (de la multiplication vectorielle) » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> d'où la réécriture du 1^er terme <math>\,\big(</math>après mise en facteur par <math>\,-h\;r_I\big)\,</math> selon <math>\,\dot{\theta}_G\;\vec{u}_{\varphi_G} \wedge \vec{u}_{r_G} = \dot{\theta}_G\;\vec{u}_{\theta_G}</math>, celle du 2^ème terme <math>\,\big(</math>après la même mise en facteur par <math>\,-h\;r_I\big)\,</math> donnant <math>\,\dot{\varphi}_G\;\vec{u}_z \wedge \vec{u}_{r_G}\,</math> ou, avec <math>\,\vec{u}_{r_G} = \cos(\theta_G)\;\vec{u}_z + \sin(\theta_G)\;\vec{u}_{\rho_G}</math>, <math>\,\dot{\varphi}_G\;\sin(\theta_G)\;\vec{u}_z \wedge \vec{u}_{\rho_G} = \dot{\varphi}_G\;\sin(\theta_G)\;\vec{u}_{\varphi_G}</math>.</ref> d'où «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{R}}_{\!\text{flu}} = -h\;r_I \left[ \dot{\theta}_G\;\vec{u}_{\theta_G} + \dot{\varphi}_G\;\sin(\theta_G)\;\vec{u}_{\varphi_G} \right]\;</math>» ou encore «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{R}}_{\!\text{flu}}</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane ainsi que «<math>\;\color{transparent}{\overrightarrow{\mathcal{R}}_{\!\text{flu}}}</math> }}<math>= -h\;r_I\; \dot{\theta}_G\;\vec{u}_{\theta_G} - h\;\rho_I\; \dot{\varphi}_G\;\vec{u}_{\varphi_G}\,</math> avec <math>\,r_I\;\sin(\theta_G) = \rho_I\;</math>» d'autre part, d'où, en projetant l'équation <math>\,(\mathfrak{2})\,</math> sur <math>\,\vec{u}_{\varphi_G}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane }}«<math>\;0 + 0 - h\;\rho_I(t)\; \dot{\varphi}_G(t) = m\;a_{\varphi_G,\,G}(t) = m\;\dfrac{1}{\rho_G(t)}\;\dfrac{d\! \left[ \rho_G^2\,\dot{\varphi_G} \right]}{dt}(t)\;</math>» par forme semi-intégrée de l'accélération orthoradiale en repérage cylindro-polaire <ref name="forme semi intégrée de l'accélération orthoradiale"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Description_et_paramétrage_du_mouvement_d'un_point_:_Systèmes_de_coordonnées#Composantes_cylindro-polaires_(ou_cylindriques)_du_vecteur_accélération_du_point_repéré_dans_le_référentiel_d'étude|composantes cylindro-polaires (ou cylindriques) du vecteur accélération du point repéré dans le référentiel d'étude]] (autre forme de l'accélération orthoradiale) » du chap.<math>2</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dans laquelle la coordonnée orthoradiale <math>\,\theta\,</math> doit être remplacée par <math>\,\varphi_G</math>.</ref> <br>{{Al|8}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane «<math>\;\color{transparent}{0 + 0 - h\;\rho_I(t)\; \dot{\varphi}_G(t) = m\;a_{\varphi_G,\,G}(t) = m\;\rho_G(t)\;d\! \left[ \rho_G^2\,\dot{\varphi_G} \right](t)}\;</math>» par forme semi-intégrée de l'accélération orthoradiale en }}dont la validité suppose «<math>\;\rho_G \neq 0\;</math>» ou, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane }}avec «<math>\;\rho_I(t) = \dfrac{r_I}{\mathfrak{a}}\;\rho_G(t)\;</math>» <ref> <math>\,I\,</math> et <math>\,G\,</math> étant solidaires du [[w:Pendule_pesant|pendule]] leur disposition à l'instant <math>\,t\,</math> reste la même que celle à l'instant initial.</ref>, en multipliant les deux membres par <math>\,\rho_G(t) \neq 0,\;\;\forall\;t</math>, <math>\Rightarrow</math> «<math>\;-h\;\dfrac{r_I}{\mathfrak{a}}\;\rho_G^2(t)\; \dot{\varphi}_G(t) = m\;\dfrac{d\! \left[ \rho_G^2\,\dot{\varphi_G} \right]}{dt}(t)\;</math>», soit finalement <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane }}«<math>\;\dfrac{d\! \left[ \rho_G^2\,\dot{\varphi_G} \right]}{dt}(t) + \dfrac{h\;r_I}{m\;\mathfrak{a}} \left[ \rho_G^2\,\dot{\varphi_G} \right](t) = 0\,</math> pour <math>\,t \in \mathbb{R}^{+} \setminus \left\lbrace t_{\text{éq stable}} \right\rbrace\;</math>» <ref name="suppression des instants de passage à l'équilibre stable"> Pour cela il est nécessaire de supprimer les valeurs de <math>\,t\,</math> pour lesquelles <math>\,\rho_G(t) = 0</math>, <math>\,\big[t = t_{\text{éq stable}}\,</math> instants de passage par la position verticale d'équilibre stable du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]], ce dernier étant en équilibre stable pour <math>\,G\,</math> sur la verticale de <math>\,O\,</math> et au-dessous<math>\big]</math>.</ref>, équation différentielle linéaire homogène du 1^er ordre en <math>\,\rho_G^2\,\dot{\varphi_G}\,</math> à cœfficients constants, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane }}qui s'intègre, sur chaque intervalle continu de temps <math>\,\mathcal{I}_i\;i\,\in\,\mathbb{N}\,</math> ne contenant pas de valeurs <math>\,t_{\text{éq stable}}</math>, en «<math>\;\rho_G^2(t)\,\dot{\varphi_G}(t) = A_i\;\exp\! \left( -\dfrac{h\;r_I}{m\;\mathfrak{a}}\;t\right)\;\forall\;t\;\in\;\mathcal{I}_i\;</math>» <ref name="constante d'intégration dépendant a priori de l'intervalle d'intégration"> Constante d'intégration <math>\,A_i\,</math> dépendant a priori de l'intervalle continu de temps <math>\,\mathcal{I}_i\,</math> sur lequel se fait l'intégration mais en fait toutes ces constantes vont être égales d'après ce qui suit et la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#cite_note-constantes_d'intégration_toutes_égales-82|⁸²]] » plus bas dans le chapitre <math>\;\ldots</math></ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane qui s'intègre, }}dont on peut prolonger le résultat aux valeurs discrètes <math>\,t_{\text{éq stable}}\,</math> compte-tenu de la continuité des grandeurs <math>\,\rho_G(t)\;</math><ref name="continuité des longueurs"> Si une longueur était discontinue de 1^ère espèce <math>\,\big(</math>correspondant à un saut fini à l'instant de discontinuité<math>\big)</math>, cela supposerait une vitesse infinie à l'instant de discontinuité, ce qui n'est pas possible <math>\;\ldots</math></ref> et <math>\,\dot{\varphi_G}(t)\;</math><ref name="continuité des vitesses"> Si la vitesse angulaire <math>\,\dot{\varphi_G}(t)\,</math> était discontinue de 1^ère espèce <math>\,\big(</math>correspondant à un saut fini à l'instant de discontinuité<math>\big)</math>, cela supposerait la vitesse orthoradiale <math>\,\rho_G(t)\;\dot{\varphi_G}(t)\,</math> également discontinue de 1^ère espèce et par suite sa dérivée temporelle infinie à l'instant de discontinuité <math>\,\big[</math>attention la dérivée temporelle de la vitesse orthoradiale n'est pas l'accélération orthoradiale revoir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Description_et_paramétrage_du_mouvement_d'un_point_:_Systèmes_de_coordonnées#Composantes_cylindro-polaires_(ou_cylindriques)_du_vecteur_accélération_du_point_repéré_dans_le_référentiel_d'étude|composantes cylindro-polaires (ou cylindriques) du vecteur accélération du point repéré dans le référentiel d'étude]] » du chap.<math>2</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>, ce qui nécessiterait la discontinuité de 1^ère espèce d'au moins une force appliquée et n'est pas le cas ici <math>\;\ldots</math></ref> pour tout <math>\,t \in \mathbb{R}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane qui s'intègre, }}ce qui entraîne la continuité de <math>\,\rho_G^2(t)\,\dot{\varphi_G}(t)\;</math><ref name="constantes d'intégration toutes égales"> Et par suite une même constante d'intégration pour tous les intervalles continus de temps ne contenant pas de valeurs <math>\,t_{\text{éq stable}}\;\ldots</math></ref> soit finalement «<math>\;\rho_G^2(t)\,\dot{\varphi_G}(t) = A\;\exp\! \left( -\dfrac{h\;r_I}{m\;\mathfrak{a}}\;t\right)\!,\;\;\forall\;t \in \mathbb{R}^{+}\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane qui s'intègre, }}on détermine la constante <math>\,A\,</math> par utilisation partielle des C.I. <ref name="C.I." /> <math>\,\left\lbrace \begin{array}{l} \theta_G(0) = \theta_0\;&\text{et }&\varphi_G(0) = 0\\ \dot{\theta_G}(0) = 0\;&\text{et }&\dot{\varphi_G}(0) = 0\end{array}\right\rbrace\;</math><ref name="demi-plan méridien de référence"> En choisissant le plan de lancement comme demi-plan méridien de référence <math>\,xOz\,</math> on en déduit <math>\,\varphi_G(0) = 0</math>.</ref>{{,}} <ref name="traduction de l'absence de vitesse initiale"> Par absence de vitesse initiale on a <math>\,V_{z_G}(0) = \dot{z_G}(0) = -\mathfrak{a}\;\sin(\theta_0)\;\dot{\theta_G}(0) = 0\,</math> <math>\big\{</math>en effet <math>\,z_G(t) = \mathfrak{a}\;\cos[ \theta(t)]\big\}\,</math> d'où <math>\,\dot{\theta_G}(0) = 0\,</math> et <math>\,V_{\varphi_G}(0) = \rho(0)\;\dot{\varphi_G}(0) = \mathfrak{a}\;\sin(\theta_0)\;\dot{\varphi_G}(0) = 0\,</math> <math>\big\{</math>en effet <math>\,\rho_G(t) = \mathfrak{a}\;\sin[ \theta(t)]\big\}\,</math> d'où <math>\,\dot{\varphi_G}(0) = 0</math>.</ref> soit, avec «<math>\;\rho_G(t) = \mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane qui s'intègre, }}la réécriture partielle des C.I. <ref name="C.I." /> sous la forme «<math>\;\mathfrak{a}^2\;\sin^2(\theta_0)\;\dot{\varphi_G}(0) = A\;</math>» ou «<math>\;0 = A\;</math>» et par suite «<math>\;\rho_G^2(t)\,\dot{\varphi_G}(t) = 0,\;\;\forall\;t \in \mathbb{R}^{+}</math>» ou, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane qui s'intègre, }}en simplifiant par <math>\,\rho_G^2(t)\,</math> non identiquement nul, «<math>\;\dot{\varphi_G}(t) = 0,\;\;\forall\;t \in \mathbb{R}^{+}\;</math>» ou enfin, après intégration «<math>\;\varphi_G(t) = cste',\;\;\forall\;t \in \mathbb{R}^{+}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane qui s'intègre, }}on détermine la valeur de <math>\,cste'\,</math> par C.I. <ref name="C.I." /> <math>\,\varphi_G(0) = 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste' = 0</math>, soit finalement <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane qui s'intègre, }}«<math>\;\varphi_G(t) = 0,\;\;\forall\;t \in \mathbb{R}^{+}\;</math>», c.-à-d. la nature <u>plane</u> du mouvement de <math>\,G\,</math> dans le plan de lancement. {{Al|5}}<u>Démonstration de la nature plane du mouvement de</u><math>\;G\;</math><u>dans les</u><math>\;\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\;</math><u>de lancement</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane }}aucune modification avant l'intervention des C.I. <ref name="C.I." /> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\rho^2(t)\,\dot{\varphi}(t) = A\;\exp\! \left( -\dfrac{h\;r_I}{m\;\mathfrak{a}}\;t\right)\!,\;\;\forall\;t \in \mathbb{R}^{+}\;</math>» comme précédemment, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane }}la constante d'intégration se déterminant par utilisation partielle des C.I. <ref name="C.I." /> <math>\,\left\lbrace \begin{array}{l} \theta_G(0) = \theta_0\;&\text{et }&\varphi_G(0) = 0\\ \dot{\theta_G}(0) = \dfrac{V_0}{\mathfrak{a}}\;&\text{et }&\dot{\varphi_G}(0) = 0\end{array}\right\rbrace\;</math><ref name="demi-plan méridien de référence" />{{,}} <ref name="traduction d'une vitesse initiale V0"> La vitesse initiale étant dans le plan de lancement on a <math>\,V_{z_G}(0) = \dot{z_G}(0) = -\mathfrak{a}\;\sin(\theta_0)\;\dot{\theta_G}(0) = V_0\;\sin(\theta_0)\,</math> <math>\big\{</math>en effet <math>\,z_G(t) = \mathfrak{a}\;\cos[ \theta(t)]\,</math> et la vitesse initiale est <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\overrightarrow{OG_0}\,</math> dans le plan vertical <math>\,\downarrow\,</math> de lancement<math>\big\}\,</math> d'où <math>\,\dot{\theta_G}(0) = -\dfrac{V_0}{\mathfrak{a}}\,</math> et <math>\,V_{\varphi_G}(0) = \mathfrak{a}\;\sin(\theta_0)\;\dot{\varphi_G}(0) = 0\;</math> et par suite <math>\,\dot{\varphi_G}(0) = 0</math>.</ref> soit, avec «<math>\;\rho_G(t) = \mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane }}la réécriture partielle des C.I. <ref name="C.I." /> sous la forme «<math>\;\mathfrak{a}^2\;\sin^2(\theta_0)\;\dot{\varphi_G}(0) = A\;</math>» ou «<math>\;0 = A\;</math>» et par suite «<math>\;\rho_G^2(t)\,\dot{\varphi_G}(t) = 0,\;\;\forall\;t \in \mathbb{R}^{+}\;</math>» ou, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane qui s'intègre, }}en simplifiant par <math>\,\rho_G^2(t)\,</math> non identiquement nul, «<math>\;\dot{\varphi_G}(t) = 0,\;\;\forall\;t \in \mathbb{R}^{+}\;</math>» ou enfin, après intégration «<math>\;\varphi_G(t) = cste',\;\;\forall\;t \in \mathbb{R}^{+}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane qui s'intègre, }}on détermine la valeur de <math>\,cste'\,</math> par C.I. <ref name="C.I." /> <math>\,\varphi_G(0) = 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste' = 0</math>, soit finalement <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane qui s'intègre, }}«<math>\;\varphi_G(t) = 0,\;\;\forall\;t \in \mathbb{R}^{+}\;</math>», c.-à-d. la nature <u>plane</u> du mouvement de <math>\,G\,</math> dans le plan de lancement. === Dans le cas d’une « liaison pivot » ou d’une « liaison sphérique avec C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b) », nouveau repérage adapté à la nature rotatoire du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté === [[File:Pendule pesant amorti à un degré de liberté - forces extérieures - bis.png|thumb|300px|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\;G\;</math> et représentation des forces extérieures, <math>\,I\,</math> étant le point où la résultante des forces de frottement fluide peut être appliquée]] {{Al|5}}Avec les deux types de liaison, « [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] » ou « [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] <ref name="liaison sphérique" /> avec C.I. <ref name="C.I." /> de lancement <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\,</math> ou <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\;</math>» <ref name="C.I. 1a ou 1b" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, }}le P.P.A. <ref name="P.P.A." /> ayant un mouvement de rotation autour d’un axe horizontal fixe noté <math>\,\Delta_O\;</math><ref> Dans le cas d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] avec C.I. de lancement <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\,</math> ou <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)</math>, la nature plane du mouvement de <math>\,G\,</math> ayant été vérifiée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Dans_le_cas_d'une_liaison_sphérique_et_avec_les_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b),_établissement_de_la_nature_plane_du_mouvement_du_C.D.I._G_du_P.P.A.|dans le cas d'une liaison sphérique et avec les C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), établissement de la nature plane du mouvement du C.D.I. G du P.P.A.]] » plus haut dans ce chapitre et la distance <math>\,[OG]\,</math> étant constante, on en déduit effectivement la nature circulaire du mouvement de <math>\,G</math>.</ref> et orienté par «<math>\;\vec{u}_{\Delta_O}\;</math>» <ref name="identification de l'axe dans le cas d'une liaison sphérique"> Dans le cas d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] avec C.I. de lancement <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\,</math> ou <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)</math>, <math>\,\vec{u}_{\Delta_O}\,</math> s'identifie à <math>\,\vec{u}_{\varphi_G}(t) = \vec{u}_{\varphi_G}(0)</math>.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, }}on repère le C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> dans le plan vertical du mouvement <math>\,zOx</math> <br>{{Al|10}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, on repère le C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}\,</math> }}<math>\big\{</math>avec <math>\,\vec{u}_z\,</math> unitaire vertical <math>\,\downarrow</math>, <math>\,\vec{u}_x\,</math> unitaire horizontal <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\vec{u}_y</math> <math>\,\big(</math>3^ème vecteur unitaire horizontal égal à <br>{{Al|10}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, on repère le C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}\,</math> <math>\color{transparent}{\big\{}</math>}}<math>\,\vec{u}_{\Delta_O}\big)</math> tels que la base cartésienne «<math>\;\left( \vec{u}_z\,,\,\vec{u}_x\,,\, \vec{u}_{\Delta_O} \right)\;</math> soit directe » <ref name="base directe d'un espace orienté à droite"> C.-à-d. utilisant, dans un espace orienté à droite <math>\,\big[</math>voir l'« introduction du paragraphe [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Produit_vectoriel_de_deux_vecteurs|produit vectoriel de deux vecteurs]] (pour la signification d'espace orienté à droite) » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]</math>, la règle de la main droite, voir la description et d'autres règles identiques dans la note « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#cite_note-règle_de_la_main_droite-17|¹⁷]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, l'espace physique étant <br>{{Al|16}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, on repère le C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}\,</math> <math>\color{transparent}{\big\{}</math><math>\,\color{transparent}{\vec{u}_{\Delta_O}\big)}</math> tels que la base cartésienne «<math>\;\color{transparent}{\left( \vec{u}_z\,,\,\vec{u}_x\,,\, \vec{u}_{\Delta_O} \right)}\;</math> soit directe », }}orienté à droite <ref name="orienté à droite" /><math>\big\}</math>, <br>{{Al|10}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, on repère le C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}\,</math> }}par ses coordonnées polaires de pôle <math>\,O\,</math> et d’axe <math>\,\Delta_O\,</math> orienté par <math>\,\vec{u}_{\Delta_O}\,</math> soit, avec la base polaire liée <br>{{Al|10}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, on repère le C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}\,</math> par ses coordonnées polaires }}au C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> dans ce plan <math>\,zOx</math>, «<math>\;\left( \vec{u}_r\,,\,\vec{u}_\theta \right)\;</math>» <ref name="simplification de notation de base polaire"> On simplifie la notation par rapport à celle utilisée jusqu'à présent «<math>\;\vec{u}_r\,</math> à la place de <math>\,\vec{u}_{r_G}\;</math>» et «<math>\;\vec{u}_\theta\,</math> à la place de <math>\,\vec{u}_{\theta_G}\;</math>».</ref>, <br>{{Al|10}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, on repère le C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}\,</math> par ses coordonnées polaires }}«<math>\,\left\lbrace\! r_G = \mathfrak{a}\,,\, \theta_G = \widehat{\left(\! \vec{u}_z\,,\,\overrightarrow{OG} \!\right)} = \widehat{\left( \vec{u}_z\,,\,\vec{u}_r \right)} \!\right\rbrace\,</math>» <ref name="expression du vecteur position de G"> En effet <math>\,\overrightarrow{OG} = \mathfrak{a}\;\vec{u}_r</math>.</ref>, <math>\,\theta_G\;</math><ref name="theta au lieu de thetaG"> Abscisse angulaire du C.D.I. <math>\,G\,</math> du P.P.A. noté «<math>\;\theta\;</math>» par la suite en absence d'ambiguïté <math>\,\ldots</math></ref> est aussi le <br>{{Al|10}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, on repère le C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}\,</math> par ses coordonnées polaires }}paramètre de position angulaire repérant le mouvement du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, }}<math>\,\big[</math>ici nous considérons que le front de la surface latérale du P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="front" /> ne dépend pas du sens de déplacement de ce dernier <ref name="front de surface latérale indépendante du sens de déplacement" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}et par suite que le point d'application <math>\,I\,</math> de la résultante des forces de frottement fluide n'en dépend pas non plus <ref name="unicité de I" /> en étant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}d'une part, « dans le plan vertical du mouvement de <math>\,G\,</math>» et, d'autre part, « sur le support de <math>\,\overrightarrow{OG}\,</math>» <ref name="justification de varphiI = varphiG et de l'hypothèse thetaI = thetaG" /><math>\big]</math>. {{Al|5}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, }}Les actions extérieures agissant sur le P.P.A. <ref name="P.P.A." /> représentées sur le schéma ci-contre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, Les actions extérieures }}sont les seules pour une « [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] <ref name="liaison sphérique" /> avec C.I. <ref name="C.I." /> de lancement <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\,</math> ou <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\;</math>» <ref name="C.I. 1a ou 1b" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, Les actions extérieures sont les seules }}à savoir<math>\;\bullet\;</math>son poids «<math>\;m\,\vec{g} = m\,g\,\vec{u}_z = m\,g\,\cos(\theta)\,\vec{u}_r - m\,g\,\sin(\theta)\,\vec{u}_\theta\;</math>» de moment <br>{{Al|5}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, Les actions extérieures sont les seules à savoir<math>\;\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}vectoriel par rapport à <math>\,O\,</math> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right] = -m\,g\,\mathfrak{a}\, \sin(\theta)\,\vec{u}_{\Delta_O}\;</math>» <ref name="identification de l'axe dans le cas d'une liaison sphérique" />{{,}} <ref name="forces extérieures pour une liaison sphérique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Dans_le_cas_d'une_liaison_sphérique_et_avec_les_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b),_établissement_de_la_nature_plane_du_mouvement_du_C.D.I._G_du_P.P.A.|dans le cas d'une liaison sphérique et avec les C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), établissement de la nature plane du mouvement du C.D.I. G du P.P.A.]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, Les actions extérieures sont les seules à savoir}}<math>\;\bullet\;</math>la réaction de la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] <ref name="liaison sphérique" /> <math>\,\vec{R}(t) = R_r(t)\,\vec{u}_r + R_\theta(t)\,\vec{u}_\theta\;</math><ref name="forces extérieures pour une liaison sphérique" /> appliquée en <math>\,O</math>, de moment vectoriel en <math>\,O\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, Les actions extérieures sont les seules à savoir<math>\;\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction de la liaison sphérique <math>\,\color{transparent}{\vec{R}(t) = R_r(t)\,\vec{u}_r + R_\theta(t)\,\vec{u}_\theta}\;</math> appliquée en <math>\,\color{transparent}{O}</math>, }}«<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = \vec{0}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, Les actions extérieures sont les seules à savoir}}<math>\;\bullet\;</math>la résultante des forces de frottement fluide «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{R}}_{\!\text{flu}}(t) = -h\;\vec{V}_I(t)\;</math>» <ref name="h"> «<math>\;h\;</math>» étant une constante positive <math>\,\big(</math>exprimée en <math>\;kg \cdot s^{-1}\big)\,</math> caractéristique du frottement fluide linéaire.</ref> s’appliquant en <math>\,I\;</math><ref name="résultante des forces de frottement fluide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Dans_le_cas_d'une_liaison_sphérique_et_avec_les_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b),_établissement_de_la_nature_plane_du_mouvement_du_C.D.I._G_du_P.P.A.|dans le cas d'une liaison sphérique et avec les C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), établissement de la nature pland du mouvement du C.D.I. G du P.P.A.]] (actions extérieures) » plus haut dans ce chapitre, le cas d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] ne changeant rien aux forces de frottement fluide.</ref> de vecteur moment en <math>\,O\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, Les actions extérieures sont les seules à savoir<math>\;\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{O,\,\text{flu}}(t) = -H\; \dot{\theta}_G(t)\;\vec{u}_{\varphi_G}(t) - H\; \dot{\varphi}_G(t) \left\lbrace \sin^2\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_z - \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\cos\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\rho_G}(t) \right\rbrace\;</math>» <ref name="H"> «<math>\;H = h\,r_I^2\;</math>».</ref>{{,}} <ref name="résultante des forces de frottement fluide" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, Les actions extérieures sont les seules à savoir<math>\;\color{transparent}{\bullet}\;</math>«<math>\color{transparent}{\overrightarrow{\mathcal{M}}_{O,\,\text{flu}}(t)}</math> }}<math>= -H\; \dot{\theta}_G(t)\;\vec{u}_{\Delta_O} + H\; \dot{\varphi}_G(t) \sin\!\left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\theta_G}(t)\;</math>» <ref name="identification de l'axe dans le cas d'une liaison sphérique" />{{,}} <ref name="retour au repérage polaire du plan zOx"> En effet <math>\,\left\lbrace \begin{array}{r c l}\vec{u}_z \!\!&=&\!\! \cos\!\left[ \theta_G(t) \right] \vec{u}_{r_G}(t) - \sin\!\left[ \theta_G(t) \right] \vec{u}_{\theta_G}(t) \\ \vec{u}_{\rho_G}(t) \!\!&=&\!\! \sin\!\left[ \theta_G(t) \right] \vec{u}_{r_G}(t) + \cos\!\left[ \theta_G(t) \right] \vec{u}_{\theta_G}(t) \end{array} \right\rbrace\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,\left\lbrace \begin{array}{r c l}\sin^2\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_z \!\!&=&\!\! \sin^2\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\cos\!\left[ \theta_G(t) \right] \vec{u}_{r_G}(t) - \sin^3\!\left[ \theta_G(t) \right] \vec{u}_{\theta_G}(t) \\- \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\cos\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\rho_G}(t) \!\!&=&\!\! -\sin^2\!\left[ \theta_G(t) \right]\;\cos\!\left[ \theta_G(t) \right] \vec{u}_{r_G}(t) - \sin\!\left[ \theta_G(t) \right]\;\cos^2\!\left[ \theta_G(t) \right] \vec{u}_{\theta_G}(t) \end{array} \right\rbrace\,</math> dont on déduit <br>«<math>\;\sin^2\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_z - \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\cos\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\rho_G}(t) = - \sin^3\!\left[ \theta_G(t) \right] \vec{u}_{\theta_G}(t) - \sin\!\left[ \theta_G(t) \right]\;\cos^2\!\left[ \theta_G(t) \right] \vec{u}_{\theta_G}(t) = -\sin\!\left[ \theta_G(t) \right]\,\left\lbrace \sin^2\!\left[ \theta_G(t) \right] + \cos^2\!\left[ \theta_G(t) \right] \right\rbrace \vec{u}_{\theta_G}(t) = -\sin\!\left[ \theta_G(t) \right] \vec{u}_{\theta_G}(t)\;</math>».</ref> mais <math>\;\ldots</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, Les actions extérieures sont les seules }}pour une « [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] » il faut ajouter sur le schéma le couple de réaction du pivot <ref name="représentation d'un couple sur un schéma"> Le vecteur moment d'un couple n'est pas représenté par un vecteur pour éviter la confusion avec une force <math>\;\ldots</math></ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, Les actions extérieures sont les seules pour une « liaison pivot » il faut ajouter sur le schéma }}de moment vectoriel <math>\,\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \;\perp\,</math> à <math>\,\Delta_O\;</math><ref> Pour le représenter sur le schéma ci-dessus on indiquerait le sens de rotation qu'il engendrerait s'il agissait seul en mettant, à côté de la flèche incurvée précisant le sens, le nom du vecteur moment du couple de récation du pivot ; <br>{{Al|3}}ici ce n'est pas fait car ce couple n'interviendra pas dans l'application du théorème de la dynamique permettant d'obtenir l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du P.P.A. <math>\;\ldots</math></ref>. === Établissement de l’équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté === {{Al|5}}Pour établir l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à un degré de liberté, <math>\,\Delta_O\,</math> étant un axe fixe dans le référentiel d’étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle }}on se propose d'appliquer au P.P.A. <ref name="P.P.A." /> le théorème du moment cinétique scalaire par rapport à l’axe <math>\,\Delta_O</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle on se propose d'appliquer au P.P.A. }}les actions extérieures s'exerçant sur le pendule précisées au paragraphe précédent <ref name="actions extérieures s'exerçant sur un P.P.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Dans_le_cas_d'une_«_liaison_pivot_»_ou_d'une_«_liaison_sphérique_avec_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b)_»,_nouveau_repérage_adapté_à_la_nature_rotatoire_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|dans le cas d'une liaison pivot ou d'une liaison sphérique avec C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), nouveau repérage adapté à la nature rotatoire du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> sont rappelées ci-dessous : <br>{{Al|11}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle on se propose d'appliquer au P.P.A. }}<math>\bullet\;</math>son poids «<math>\;m\,\vec{g} = m\,g\,\vec{u}_z = m\,g\,\cos(\theta)\,\vec{u}_r - m\,g\,\sin(\theta)\,\vec{u}_\theta\;</math>» de moments <br>{{Al|11}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle on se propose d'appliquer au P.P.A. <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}vectoriel par rapport à <math>\,O\,</math> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right] = -m\,g\,\mathfrak{a}\, \sin(\theta)\,\vec{u}_{\Delta_O}\;</math>» <ref name="actions extérieures s'exerçant sur un P.P.A." /> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle on se propose d'appliquer au P.P.A. <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right] = \overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_O} = -m\,g\,\mathfrak{a}\, \sin(\theta)\;</math>» <ref name="détermination directe du moment scalaire du poids"> On peut déterminer directement le moment scalaire du poids, le schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Dans_le_cas_d’une_«_liaison_pivot_»_ou_d’une_«_liaison_sphérique_avec_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b)_»,_nouveau_repérage_adapté_à_la_nature_rotatoire_du_mouvement_du_P.P..A._à_un_degré_de_liberté|dans le cas d'une liaison pivot ou d'une liaison sphérique avec C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), nouveau repérage adapté à la nature rotatoire du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » plus haut dans le chapitre étant fait avec le paramètre de position angulaire <math>\,\theta > 0</math>, on observe que le poids tend à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,-\,</math> avec un bras de levier <math>\,\big(</math>distance orthogonale séparant l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du support de <math>\,m\,\vec{g}\big)\,</math> égal à <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où, <math>\,\theta\,> 0</math>, «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right] = - \Vert m\,\vec{g} \Vert\, d =</math> <math>-m\,g\,\mathfrak{a}\, \sin(\theta)\;</math>» <math>\,\Big\{</math>le résultat est indépendant du signe de <math>\,\theta\,</math> en effet si le schéma était fait avec <math>\,\theta < 0</math>, on observerait que le poids tendrait à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,+\,</math> avec un bras de levier <math>\,d = \mathfrak{a}\, \vert \sin(\theta) \vert = -\mathfrak{a}\, \sin(\theta)\,</math> <math>\,\big[\theta\,</math> étant <math>\,< 0\big]\,</math> d'où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\,\vec{g} \right] = + \Vert m\,\vec{g} \Vert\, d = m\,g\,\left[ -\mathfrak{a}\, \sin(\theta) \right] = -m\,g\,\mathfrak{a}\, \sin(\theta)\;</math>», soit effectivement le même résultat <math>\,\big[</math>avec toutefois une possibilité d'erreur si on oubliait que <math>\,\theta < 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,\vert \sin(\theta) \vert = -\sin(\theta)\big]\Big\}</math>.</ref>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle on se propose d'appliquer au P.P.A. }}<math>\bullet\;</math>la réaction du point <math>\,O\,</math> de la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] sur le pendule lancé dans les C.I. <ref name="C.I." /> <math>\;\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\;</math> ou <math>\;\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)</math>, appliquée en <math>\,O</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle on se propose d'appliquer au P.P.A. <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction du point <math>\,\color{transparent}{O}\,</math> }}<math>\,\vec{R}(t) = R_r(t)\,\vec{u}_r + R_\theta(t)\,\vec{u}_\theta\;</math><ref name="forces extérieures pour une liaison sphérique" />, de moments vectoriel par rapport à <math>\,O\,</math> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = \vec{0}\;</math>», <br>{{Al|16}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle on se propose d'appliquer au P.P.A. <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction du point <math>\,\color{transparent}{O}\,</math> <math>\,\color{transparent}{\vec{R}(t) = R_r(t)\,\vec{u}_r + R_\theta(t)\,\vec{u}_\theta}\;</math>, de moments }}scalaire en <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="justification de la nullité du moment scalaire"> En effet <math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = \overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_O} = 0</math> ; <br>{{Al|3}}on pouvait aussi justifier directment la nullité du moment scalaire en constatant que le support de <math>\,\vec{R}(t)\,</math> rencontre l'axe <math>\,\Delta_O</math>.</ref>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle on se propose d'appliquer au P.P.A. }}ou <math>\bullet\;</math>la réaction de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> de la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le pendule lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I." /> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle on se propose d'appliquer au P.P.A. <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction de l'axe <math>\,\color{transparent}{\Delta_O}\,</math> }}<math>\,\vec{R}(t) = R_r(t)\,\vec{u}_r + R_\theta(t)\,\vec{u}_\theta\;</math><ref name="forces extérieures pour une liaison sphérique" />, de moments vectoriel par rapport à <math>\,O\,</math> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = \vec{0}\;</math>» et <br>{{Al|18}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle on se propose d'appliquer au P.P.A. <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction du point <math>\,\color{transparent}{O}\,</math> <math>\;\color{transparent}{\vec{R}(t) = R_r(t)\,\vec{u}_r + R_\theta(t)\,\vec{u}_\theta}\;</math>, de moments }}scalaire en <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="justification de la nullité du moment scalaire" /> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle on se propose d'appliquer au P.P.A. <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction du point <math>\,\color{transparent}{O}\,</math> }}auquel s'ajoute le couple de réaction du pivot de moment vectoriel <math>\,\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} =</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle on se propose d'appliquer au P.P.A. <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction du point <math>\,\color{transparent}{O}\,</math> auquel s'ajoute }}<math>\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle on se propose d'appliquer au P.P.A. <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction du point <math>\,\color{transparent}{O}\,</math> auquel s'ajoute }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe"> Le couple étant de moment vectoriel <math>\;\perp\;</math> à <math>\;\Delta_O</math>.</ref> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle on se propose d'appliquer au P.P.A. }}<math>\bullet\;</math>la résultante des forces de frottement fluide «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{R}}_{\!\text{flu}}(t) = -h\;\vec{V}_I(t)\;</math>» <ref name="h" /> s’appliquant en <math>\,I\;</math><ref name="résultante des forces de frottement fluide" /> de vecteur moment en <math>\,O\,</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle on se propose d'appliquer au P.P.A. <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{O,\,\text{flu}}(t) = -H\; \dot{\theta}_G(t)\;\vec{u}_{\Delta_O} + H\; \dot{\varphi}_G(t) \sin\!\left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\theta_G}(t)\;</math>» <ref name="H" />{{,}} <ref name="actions extérieures s'exerçant sur un P.P.A." /> et de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle on se propose d'appliquer au P.P.A. <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t) = \overrightarrow{\mathcal{M}}_{O,\,\text{flu}}(t) \cdot \vec{u}_{\Delta_O} = -H\;\dot{\theta}_G(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle }}le théorème du moment cinétique scalaire appliqué au P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O</math>, fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, s'écrit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle le théorème du moment cinétique scalaire }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) + \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] + \mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t) = J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="théorème du moment cinétique scalaire pour un solide en rotation autour d'un axe fixe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Application_à_un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe#Application_au_cas_d'un_«_système_fermé_de_matière_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe_«_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_2|application au cas d'un système fermé de matière en rotation autour d'un axe Δ fixe quelconque dans un référentiel d'étude galiléen]] (du théorème du moment cinétique scalaire) » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> pour un P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à un degré de liberté, <br>{{Al|13}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle le théorème du moment cinétique scalaire <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>«<math>\;\color{transparent}{\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) + \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] + \mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t) = J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t)}\;</math>» pour un }}lié à <math>\;O\;</math> par « [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] » ou <br>{{Al|5}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle le théorème du moment cinétique scalaire <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;-m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right] + 0 - H\;\dot{\theta}(t) = J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="theta au lieu de thetaG" /> avec «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie d'un solide par rapport à un axe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Moments_cinétiques_d'un_système_discret_de_points_matériels#Expression_du_vecteur_moment_cinétique_d’un_système_discret_de_points_matériels_en_rotation_autour_d’un_axe_Δ_fixe_dans_le_référentiel_d'étude,_le_point_origine_de_calcul_étant_un_point_A_de_Δ|expression du vecteur moment cinétique d'un système discret de points matériels en rotation autour d'un axe Δ fixe dans le référentiel d'étude, le point origine de calcul étant un point A de Δ]] (moment d'inertie) » du chap.<math>2</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » «<math>\;J_\Delta = \sum\limits_{i\,=\,1\,..\,N} J_\Delta(M_i) = \sum\limits_{i\,=\,1\,..\,N} m_i\;r_i^2\;</math>» ainsi que <br>{{Al|24}}{{Transparent|voir }}le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Moments_cinétiques_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe#Expression_du_vecteur_moment_cinétique_d’un_«_système_continu_de_matière_en_rotation_autour_d’un_axe_Δ_fixe_»_dans_le_référentiel_d'étude_par_rapport_à_un_point_A_de_Δ|expression du vecteur moment cinétique d'un système continu de matière en rotation autour d'un axe Δ fixe dans le référentiel d'étude par rapport à un point A de Δ]] (moment d'inertie) » du chap.<math>3</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » soit <br>{{Al|3}}dans le cas d'une expansion tridimensionnelle <math>\;\left( \mathcal{V} \right)</math> : «<math>\;J_\Delta = \displaystyle\iiint\limits_{M\,\in\,\left( \mathcal{V} \right)} dJ_\Delta(M) = \displaystyle\iiint\limits_{M\,\in\,\left( \mathcal{V} \right)} dm\;r^2 = \displaystyle\iiint\limits_{M\,\in\,\left( \mathcal{V} \right)} \mu(M)\;r^2\;d \mathcal{V}_M\;</math>» {{Nobr|<math>\;\big[</math>«<math>\;dJ_\Delta(M) = dm\;r^2\;</math>»}} étant le moment d'inertie par rapport à <math>\;(\Delta)\;</math> du pseudo-point <math>\;M\;(dm)\;</math> c.-à-d. de l'élément de matière centré en <math>\;M\;</math> à la distance orthogonale <math>\;r\;</math> de l'axe <math>\;\left( \Delta \right)\;</math> et de volume <math>\;d \mathcal{V}_M\big]</math>, <math>\;\{</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big\}</math>,<br>{{Al|3}}dans le cas d'une expansion surfacique <math>\;\left( \mathcal{S} \right)</math> : «<math>\;J_\Delta = \displaystyle\iint\limits_{M\,\in\,\left( \mathcal{S} \right)} dJ_\Delta(M) = \displaystyle\iint\limits_{M\,\in\,\left( \mathcal{S} \right)} dm\;r^2 = \displaystyle\iint\limits_{M\,\in\,\left( \mathcal{S} \right)} \sigma(M)\;r^2\;d S_M\;</math>» {{Nobr|<math>\;\big[</math>«<math>\;dJ_\Delta(M) = dm\;r^2\;</math>»}} étant le moment d'inertie par rapport à <math>\;(\Delta)\;</math> du pseudo-point <math>\;M\;(dm)\;</math> c.-à-d. de l'élément de matière centré en <math>\;M\;</math> à la distance orthogonale <math>\;r\;</math> de l'axe <math>\;\left( \Delta \right)\;</math> et d'aire <math>\;d S_M\big]</math> <math>\;\{</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big\}</math> et <br>{{Al|3}}dans le cas d'une expansion linéique <math>\;\left( \Gamma \right)</math> : «<math>\;J_\Delta = \displaystyle\int\limits_{M\,\in\,\left( \Gamma \right)} dJ_\Delta(M) = \displaystyle\int\limits_{M\,\in\,\left( \Gamma \right)} dm\;r^2 = \displaystyle\int\limits_{M\,\in\,\left( \Gamma \right)} \lambda(M)\;r^2\;d \mathit{l}_M\;</math>» {{Nobr|<math>\;\big[</math>«<math>\;dJ_\Delta(M) = dm\;r^2\;</math>»}} étant le moment d'inertie par rapport à <math>\;(\Delta)\;</math> du pseudo-point <math>\;M\;(dm)\;</math> c.-à-d. de l'élément de matière centré en <math>\;M\;</math> à la distance orthogonale <math>\;r\;</math> de l'axe <math>\;\left( \Delta \right)\;</math> et de longueur <math>\;d \mathit{l}_M\big]</math> <math>\;\{</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>15</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big\}</math>.</ref>, <br>{{Al|7}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle le théorème du moment cinétique scalaire <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>«<math>\;\color{transparent}{-m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right] + 0 - H\;\dot{\theta}(t) = J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t)}\;</math>» avec }}et «<math>\;\ddot{\theta}(t)\,</math> l'accélération angulaire du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à l'instant <math>\;t\;</math>» ou <br>{{Al|5}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle le théorème du moment cinétique scalaire }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) + \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} + \mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t) = J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="théorème du moment cinétique scalaire pour un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> pour un P.P.A. <ref name="P.P.A." /> lié à <math>\,\Delta_O\,</math> <br>{{Al|13}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle le théorème du moment cinétique scalaire <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>«<math>\;\color{transparent}{\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) + \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} + \mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t) = J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t)}\;</math>» pour }}par [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] ou <br>{{Al|5}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle le théorème du moment cinétique scalaire <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;-m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right] + 0 + 0 - H\;\dot{\theta}(t) = J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="theta au lieu de thetaG" /> avec «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie d'un solide par rapport à un axe" /> <br>{{Al|7}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle le théorème du moment cinétique scalaire <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>«<math>\;\color{transparent}{-m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right] + 0 + 0 - H\;\dot{\theta}(t) = J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t)}\;</math>» avec }}et «<math>\;\ddot{\theta}(t)\,</math> l'accélération angulaire du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à la date <math>\,t\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle }}d'où la même équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du mouvement du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en rotation autour de <math>\,\Delta_O\,</math> pour un P.P.A. <ref name="P.P.A." /> lié à <math>\,\Delta_O\,</math> par « [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] » et <br>{{Al|12}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle soit la même équation différentielle en <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> du mouvement du P.P.A. en rotation autour de <math>\,\color{transparent}{\Delta_O}\,</math> }}pour un P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à un degré de liberté en [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] à <math>\,O</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle }}en normalisant l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du mouvement du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> nous obtenons «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{h\;\mathit{l}^{\,2}}{m\;\mathit{l}^{\,2}}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathit{l}}{m\; \mathit{l}^{\,2}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="même équation que celle d'un P.P.S.A."> Équation différentielle analogue à celle du P.P.S.A « [[w:Pendule_simple|pendule pesant simple]] (amorti) » laquelle a été déterminée par application de la r.f.d.n. projetée sur <math>\,\vec{u}_\theta</math> <math>\,\big[</math>revoir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#En_complément,_mise_en_équation_du_«_P.P.S.A._»|en complément, mise en équation du P.P.S.A.]] » du chap.<math>12</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> ; <br>{{Al|3}}ce n’est pas une surprise, le P.P.S.(A.) pouvant être considéré comme un cas particulier du P.P.(A.), dans le cas où le P.P.S.(A.) est construit à partir d’une tige rigide sans masse ou à partir d’un fil idéal restant tendu, <math>\;\big[</math>le moment d’inertie du P.P.S.(A.) relativement à l’axe <math>\;\Delta_O\;</math> étant celui du point matériel <math>\;M\;</math> de masse <math>\;m\;</math> situé à la distance <math>\;\mathit{l}\;</math> de <math>\;O\;</math> soit «<math>\;J_{\Delta_O} = m\; \mathit{l}^{\,2}\;</math>», le C.D.I. <math>\;G\;</math> étant confondu avec <math>\;M\;</math> soit «<math>\;\mathfrak{a} = \mathit{l}\;</math>» et le point <math>\;I\;</math> confondu avec <math>\;G\;</math> d'où «<math>\;H = h\;r_I^2 = h\;\mathit{l}^{\,2}\;</math>»<math>\big]\;</math> l’équation différentielle en <math>\;\theta(t)\;</math> du mouvement du P.P.A. appliqué au P.P.S.A. s'écrit alors <center>«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{h\;\mathit{l}^{\,2}}{m\;\mathit{l}^{\,2}}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathit{l}}{m\; \mathit{l}^{\,2}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>»</center> {{Al|3}}ce qui donne bien, après simplification évidente, «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{h}{m}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{g}{\mathit{l}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>».</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle }}une équation différentielle non linéaire du 2^ème ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> avec terme linéaire du 1^er ordre, caractérisant un <u>oscillateur non linéaire amorti</u> <ref name="définition non énergétique d'un oscillateur non linéaire"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Petits_mouvements_au_voisinage_d'un_équilibre_stable#1ère_définition_d'un_oscillateur_«_non_linéaire_»_au_voisinage_d'un_équilibre_stable|1^ère définition d'un oscillateur non linéaire au voisinage d'un équilibre stable]] » du chap.<math>19</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> dans la mesure où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle une équation différentielle non linéaire du 2^ème ordre en <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> avec terme linéaire du 1^er ordre, caractérisant un oscillateur }}le mouvement reste pseudo-oscillatoire. === Absence de solution analytique dans le cas général d’amplitudes initiales non petites === {{Al|5}}Comme l’équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> est de même nature que celle du « P.P.S.A. <ref name="P.P.S.A." /> » <ref name="même équation que celle d'un P.P.S.A." />, on peut faire les mêmes commentaires <ref name="absence de solution analytique pour le P.P.S.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Absence_de_solution_analytique_de_l'équation_différentielle_du_P.P.S.|absence de solution analytique de l'équation différentielle du P.P.S.]] (dans le cas général) » du chap.<math>12</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, rappelés ci-après : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Comme }}l’équation différentielle non linéaire du 2^ème ordre en <math>\,f(x)</math> <math>\,\big(</math>sans terme du 1^er ordre<math>\big)</math> <math>\,\dfrac{d^2 f}{dx^2}(x) + k\;\sin\! \left[ f(x) \right] = 0\,</math> n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique"> On appelle « [[w:Solution_de_forme_fermée|solution analytique]] » d'une équation différentielle, une expression mathématique <math>\,\big(</math>souvent dite « formule explicite »<math>\big)\,</math> pouvant s'obtenir par une combinaison d'opérations et de [[w:Fonction_de_référence|fonctions de référence]] <math>\,\big(</math>c.-à-d. fonctions affines, puissances, trigonométriques et exponentielles ainsi que leurs fonctions inverses sur un domaine de définition restreint pour lequel il y a bijection ainsi que certaines solutions d'équations différentielles dites de référence<math>\big)</math>, les opérations étant l'addition, la soustraction, la multiplication, la division et l'extraction de racines.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Comme }}l'ajout d’un terme supplémentaire d’amortissement du 1^er ordre, fut-il linéaire «<math>\;\propto\,\dfrac{d f}{dx}(x)\;</math>», dans une telle équation différentielle ne peut pas rendre cette dernière soluble analytiquement <ref name="analytique" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Comme }}l'équation différentielle non linéaire du 2^ème ordre en <math>\,f(x)</math> <math>\,\big(</math>avec terme linéaire du 1^er ordre<math>\big)\;</math> n'a donc <u>pas de résolution analytique exacte</u> <ref name="analytique" />, la seule possibilité étant une résolution approchée <br>{{Al|5}}{{Transparent|Comme l'équation différentielle non linéaire du 2^ème ordre en <math>\,\color{transparent}{f(x)}</math> <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>avec terme linéaire du 1^er ordre<math>\color{transparent}{\big)}\;</math> }}<math>\bullet\;</math>analytique <ref name="analytique" /> dans le cas d’« élongations angulaires petites <ref name="élongations angulaires petites (ou non)"> On devrait dire « élongations angulaires petites <math>\,\big(</math>ou non<math>\big)\,</math> <u>en valeur absolue</u> » mais personne ne le fait par abus de langage.</ref> » <br>{{Al|11}}{{Transparent|Comme l'équation différentielle non linéaire du 2^ème ordre en <math>\,\color{transparent}{f(x)}</math> <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>avec terme linéaire du 1^er ordre<math>\color{transparent}{\big)}\;</math> <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>analytique }}<math>\,\big[</math>voir ci-dessous à la fin de ce paragraphe<math>\big]\,</math> ou <br>{{Al|5}}{{Transparent|Comme l'équation différentielle non linéaire du 2^ème ordre en <math>\,\color{transparent}{f(x)}</math> <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>avec terme linéaire du 1^er ordre<math>\color{transparent}{\big)}\;</math> }}<math>\bullet\;</math>numérique dans le cas général d’« élongations angulaires non petites <ref name="élongations angulaires petites (ou non)" /> » <ref> Résolution analogue à celle présentée au paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#En_complément,_«_résolution_numérique_»_de_l'équation_différentielle_d'un_P.P.S._dans_les_C.I._«_1a_»_puis_«_1b_»,_tracé_des_diagrammes_horaires_de_position_et_de_vitesse_ainsi_que_celui_des_portraits_de_phase_correspondant|en complément, résolution numérique de l'équation différentielle d'un P.P.S. dans les C.I. 1a puis 1b, tracé des diagrammes horaires de position et de vitesse ainsi que celui des portraits de phase correspondant]] » du chap.<math>12</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » nécessitant néanmoins d'ajouter le terme d'amortissement <math>\;\ldots</math></ref>. {{Al|5}}<u>Résolution analytique approchée de l'équation différentielle du P.P.A.</u> <ref name="P.P.A." /> <u>dans le cas des petites élongations angulaires</u> <ref name="élongations angulaires petites (ou non)" /> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Résolution analytique approchée }}Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » <ref name="élongations angulaires petites (ou non)" /> est de lancer <ref> Que la liaison avec <math>\,O\,</math> ou <math>\,\Delta_O\,</math> soit [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|sphérique]] ou [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]].</ref> le P.P.A. <ref name="P.P.A." /> avec les C.I. <ref name="C.I." /> de lancement particulières suivantes : <br>{{Al|12}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » est de }}« on écarte le P.P.A. <ref name="P.P.A." /> de sa position d’équilibre stable <ref name="équilibre stable" /> de <math>\,\theta_0\,</math> et <br>{{Al|12}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » est de « }}on le lâche sans vitesse initiale <ref name="(C.I.a)"> Conditions notées «<math>\;\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\;</math>» dans le cas où la liaison avec <math>\,O\,</math> est [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|sphérique]].</ref> » avec la valeur absolue de <math>\,\theta_0\,</math> petite <br>{{Al|20}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » est de « on le lâche sans vitesse initiale » avec }}c.-à-d. <math>\,\vert \theta_0 \vert \ll 1\;</math><ref name="en radians"> À condition que l'angle soit exprimé en <math>\,rad</math>.</ref>, <br>{{Al|12}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » est de « }}l'absence de vitesse angulaire initiale <ref name="signification d'absence de vitesse initiale"> C.-à-d. «<math>\;\dot{\theta}_0 = 0\;</math>».</ref> <math>\Rightarrow</math> <math>\,\vert \theta(t) \vert\,</math> ne dépassera pas <math>\,\vert \theta_0 \vert\;</math><ref name="nature pseudo-oscillatoire de petite amplitude initiale"> La démonstration de la nature pseudo-oscillatoire de pseudo-amplitude <math>\;\searrow\,</math> à partir de <math>\,\vert \theta_0 \vert\,</math> que le P.P. soit en liaison [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|sphérique]] avec <math>\,O\,</math> ou en liaison [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] avec <math>\,\Delta_O\,</math> lancé sans vitesse initiale <math>\,\big(</math>avec <math>\,\vert \theta_0 \vert\,</math> non nécessairement petit<math>\big)\,</math> est analogue à celle exposée dans le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Mouvement_conservatif#Exemple_du_pendule_pesant_simple_à_un_degré_de_liberté_«_P.P.S._lancé_dans_les_C.I._(1b_U_1a)_»|exemple du pendule pesant simple à un degré de liberté “P.P.S. lancé dans les C.I. (1b U 1a)”]] (remarque) » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|21}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » est de « l'absence de vitesse angulaire initiale <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}soit «<math>\,\vert \theta(t) \vert \ll 1\;\;\forall\;t\;</math><ref name="en radians" /> » ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être }}dans le cadre des « petites élongations angulaires » <ref name="élongations angulaires petites (ou non)" /> on a <math>\,\vert \theta(t) \vert \ll\;\;\forall\; t\;</math><ref name="en radians" /> <math>\Rightarrow</math> possibilité de D.L. <ref name="D.L."> Développement Limité.</ref> à l'ordre un en <math>\,\theta\,</math> de <math>\,\sin(\theta)\,</math> au <br>{{Al|19}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » on a <math>\,\color{transparent}{\vert \theta(t) \vert \ll\;\;\forall\; t}\;</math> <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}voisinage de <math>\,0\;</math><ref name="D.L. à l'ordre un"> Voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Théorème_de_Taylor-Young_et_développements_limités_d'une_fonction_d'une_variable_au_voisinage_d'une_de_ses_valeurs#Développements_limités_à_l'ordre_un_de_quelques_fonctions_usuelles|D.L. à l'ordre un de quelques fonctions usuelles]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref> selon <math>\;\sin(\theta) \simeq \theta\;</math><ref name="en radians" /> à l'ordre un en <math>\;\theta\;</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » on a <math>\,\color{transparent}{\vert \theta(t) \vert \ll\;\;\forall\; t}\;</math> }}d'où linéarisation de l'équation différentielle suivie par le P.P.A. <ref name="P.P.A." /> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » on a <math>\,\color{transparent}{\vert \theta(t) \vert \ll\;\;\forall\; t}\;</math> }}selon «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_O}}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\theta(t) \simeq 0\;</math>» c.-à-d. une <br>{{Al|19}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » on a <math>\,\color{transparent}{\vert \theta(t) \vert \ll\;\;\forall\; t}\;</math> selon }}équation différentielle linéaire à cœfficients constants du <br>{{Al|19}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » on a <math>\,\color{transparent}{\vert \theta(t) \vert \ll\;\;\forall\; t}\;</math> selon }}2^ème ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> avec terme du 1^er ordre et homogène. <br>{{Al|14}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » }}Le P.P.A. <ref name="P.P.A." /> est donc <u>linéarisable</u> dans le cas des « petites élongations angulaires » <ref name="élongations angulaires petites (ou non)" /> <br>{{Al|9}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » }}et, dans cette hypothèse, devient un « <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math>amorti<math>\big)\;</math>» de pulsation propre <br>{{Al|14}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » }}«<math>\;\omega_0 = \sqrt{\dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}}\;</math>» « <u>pulsation</u><math>\;\big(</math>propre<math>\big)\;</math><u>des petites élongations angulaires</u> » <ref name="élongations angulaires petites (ou non)" /> <br>{{Al|9}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » }}et de facteur d’amortissement «<math>\;\sigma\;</math>» tel que «<math>\;\dfrac{H}{J_{\Delta_O}} = 2\,\sigma\,\omega_0\;</math>» ou «<math>\;\sigma = \dfrac{H}{2\;J_{\Delta_O}\;\omega_0}</math> <br>{{Al|10}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » et de facteur d’amortissement «<math>\;\color{transparent}{\sigma}\;</math>» tel que «<math>\;\color{transparent}{J_{\Delta_O} = 2\;\sigma\;\omega_0}\;</math>» ou «<math>\;\color{transparent}{\sigma}</math> }}<math>= \dfrac{H}{2\;\sqrt{m\,g\,\mathfrak{a}\,J_{\Delta_O}}}\;</math>», <br>{{Al|14}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » }}<math>\bullet\;</math>pour «<math>\;\sigma < 1\;</math>» le régime est pseudo-périodique de pseudo-pulsation des petites <br>{{Al|14}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>pour «<math>\;\color{transparent}{\sigma < 1}\;</math>» }}oscillations «<math>\;\omega = \omega_0\;\sqrt{1 - \sigma^2}\;</math>», l’amortissement étant exponentiel <br>{{Al|14}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>pour «<math>\;\color{transparent}{\sigma < 1}\;</math>» }}en «<math>\;\exp\! \left( -\sigma\;\omega_0\;t \right)\;</math>» <ref name="même forme"> De même forme que celle établie au paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#σ_<_1_(faible_amortissement)_et_réponse_pseudo-périodique|σ < 1 (faible amortissement) et réponse pseudo-périodique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|14}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » }}<math>\bullet\;</math>pour «<math>\;\sigma = 1\;</math>» le régime est apériodique critique <ref name="même forme - bis"> De même forme que celle établie au paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#σ_=_1_(amortissement_critique)_et_réponse_apériodique_critique|σ = 1 (amortissement critique) et réponse apériodique critique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref> et <br>{{Al|14}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » }}<math>\bullet\;</math>pour «<math>\;\sigma > 1\;</math>» le régime est apériodique <ref name="même forme - ter"> De même forme que celle établie au paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#σ_>_1_(fort_amortissement)_et_réponse_apériodique|σ > 1 (fort amortissement) et réponse apériodique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. == Rappel du cas particulier : pendule pesant simple (non amorti à un degré de liberté) utilisant une tige rigide sans masse, équilibres du pendule et notion de stabilité, généralisation aux équilibres d'un solide en rotation autour d’un axe fixe ainsi que de leur stabilité ou instabilité == === Rappel du cas particulier : P.P.S.(N.A. à un degré de liberté) construit à partir d’une tige rigide sans masse et un point matériel M === {{Al|5}}Revoir le chap.<math>12</math> « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple|Loi de la quantité de mouvement : Pendule pesant simple]] » de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dans lequel on trouve, dans les paragraphes successifs suivants : * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Pendule_pesant,_description_et_cas_limite_du_pendule_pesant_simple_(P.P.S.),_conditions_initiales_induisant_un_mouvement_à_un_degré_de_liberté_avec_établissement_de_la_nature_plane_du_mouvement|la description et le cas limite du pendule pesant simple (P.P.S.), les conditions initiales induisant un mouvement à un degré de liberté avec établissement de la nature plane du mouvement]] », * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Choix,_pour_un_P.P.S._à_un_degré_de_liberté,_du_repérage_polaire_de_pôle_«_le_centre_du_mouvement_circulaire_du_P.P.S._»|le choix, pour un P.P.S. à un degré de liberté, du repérage polaire de pôle “le centre du mouvement circulaire du P.P.S.”]] », * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Mise_en_équation_d'un_P.P.S._à_un_degré_de_liberté_par_application_de_la_r.f.d.n.,_équation_différentielle_non_linéaire_du_2ème_ordre,_absence_de_solution_analytique_(d'où_nécessité_de_résolution_numérique_dans_le_cas_général)|la mise en équation d'un P.P.S. à un degré de liberté par application de la r.f.d.n. donnant une équation différentielle non linéaire du 2^ème ordre avec absence de solution analytique (et la nécessité d'une résolution numérique dans le cas général)]] » <span style="color:#ff0000;"><math>\color{red}{\big(}</math>seul ce paragraphe sera repris en utilisant le théorème du moment cinétique scalaire, tout ce qui précède et tout ce qui suit, restant inchangés<math>\color{red}{\big)}</math></span>, * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Approximation_linéaire,_dans_le_cadre_des_«_petites_élongations_angulaires_»,_du_mouvement_d'un_P.P.S._à_un_degré_de_liberté,_analogie_avec_l'oscillateur_harmonique,_période_des_«_petites_élongations_angulaires_»|l'approximation linéaire, dans le cadre des “petites élongations angulaires”, du mouvement d'un P.P.S. à un degré de liberté, son analogie avec l'oscillateur harmonique et la période des “petites élongations angulaires”]] », * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Détermination_de_l'équation_du_portrait_de_phase_(«_intégrale_1ère_du_mouvement_»)_dans_le_cas_général_du_P.P.S._à_un_degré_de_liberté|la détermination de l'équation du portrait de phase (“intégrale 1^ère du mouvement”) dans le cas général du P.P.S. à un degré de liberté]] », * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Portraits_de_phase_dans_le_cas_général_«_d'oscillations_ou_de_mouvement_révolutif_»_d'un_P.P.S._à_un_degré_de_liberté_et_dans_le_cas_particulier_des_petites_élongations_angulaires|les portraits de phase dans le cas général “d'oscillations ou de mouvement révolutif” d'un P.P.S. à un degré de liberté et dans le cas particuliers des petites élongations angulaires]] », * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#En_complément,_absence_d'isochronisme_du_P.P.S.(N.A.)_à_un_degré_de_liberté,_expression_empirique_de_«_de_Borda_»_de_la_période_dans_le_cas_général_d’oscillations|en complément, l'absence d'isochronisme du P.P.S.(N.A.) à un degré de liberté et l'expression empirique de “de Borda” de la période dans le cas général d'oscillations]] » et * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#En_complément,_«_résolution_numérique_»_de_l'équation_différentielle_d'un_P.P.S._dans_les_C.I._«_1a_»_puis_«_1b_»,_tracé_des_diagrammes_horaires_de_position_et_de_vitesse_ainsi_que_celui_des_portraits_de_phase_correspondant|en complément, la “résolution numérique” d'un P.P.S. dans les C.I. “1a” puis “1b” avec le tracé des diagrammes horaires de position et de vitesse ainsi que celui des portraits de phase correspondant]] ». {{Al|5}}Revoir aussi le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Mouvement_conservatif#Étude_énergétique_d'un_point_matériel_en_mouvement_conservatif_à_une_dimension_sur_l'exemple_du_pendule_pesant_simple_à_un_degré_de_liberté,_diagramme_d'énergies_potentielle_et_mécanique,_présence_de_deux_murs_d'énergie_potentielle_(positions_de_vitesse_nulle)_et_trajectoire_(cinétiquement)_bornée,_mouvement_périodique_et_expression_de_la_période_sous_forme_intégrale,_absence_d'isochronisme_des_oscillations|Étude énergétique d'un point matériel en mouvement conservatif à une dimension sur l'exemple du pendule pesant simple à un degré de liberté, diagramme d'énergies potentielle et mécanique, présence de deux murs d'énergie potentielle (positions de vitesse nulle) et trajectoire (cinétiquement) bornée, mouvement périodique et expression de la période sous forme intégrale, absence d'isochronisme des oscillations]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dans lequel on trouve, dans les sous paragraphes successifs suivants : * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Mouvement_conservatif#Écriture_de_l'intégrale_1ère_énergétique_du_pendule_pesant_simple_(P.P.S.)_à_un_degré_de_liberté|l'écriture de l'intégrale 1^ère énergétique du pendule pesant simple (P.P.S.) à un degré de liberté]] », * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Mouvement_conservatif#Diagramme_d'énergies_potentielle_et_mécanique_du_P.P.S._à_un_degré_de_liberté_lancé_dans_les_conditions_initiales_(C.I.)_«_1a_»|le diagramme d'énergies potentielle et mécanique du P.P.S. à un degré de liberté lancé dans les conditions initiales (C.I.) “1a”]] », * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Mouvement_conservatif#Présence_de_deux_murs_d'énergie_potentielle_:_trajectoire_du_point_matériel_cinétiquement_bornée_2|la présence de deux murs d'énergie potentielle ayant pour conséquence le caractère “cinétiquement borné” de la trajectoire du point matériel]] », * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Mouvement_conservatif#Détermination_de_la_nature_oscillatoire_du_mouvement_du_P.P.S._à_un_degré_de_liberté_«_par_diagramme_énergétique_»|la détermination de la nature oscillatoire du mouvement du P.P.S. à un degré de liberté “par diagramme énergétique”]] », * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Mouvement_conservatif#Détermination_de_la_nature_périodique_du_mouvement_du_P.P.S._à_un_degré_de_liberté_et_expression_de_la_période_sous_forme_intégrale|la détermination de la nature périodique du mouvement du P.P.S. à un degré de liberté et l'expression de la période sous forme intégrale]] », * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Mouvement_conservatif#Absence_d'isochronisme_des_oscillations|l'absence d'isochronisme des oscillations]] », * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Mouvement_conservatif#En_complément_:_évaluation_numérique_de_la_période_et_comparaison_avec_l'«_expression_approchée_de_de_Borda_»|en complément, l'évaluation numérique de la période et la comparaison avec l'“expression approchée de de Borda”]] », * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Mouvement_conservatif#Retour_sur_les_petites_élongations_angulaires_d'un_P.P.S._à_un_degré_de_liberté_en_termes_de_diagramme_d'énergies_potentielle_et_mécanique|le retour sur les petites élongations angulaires d'un P.P.S. à un degré de liberté en terme de diagramme d'énergies potentielle et mécanique]] » et * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Mouvement_conservatif#Étude_d'un_P.P.S._à_un_degré_de_liberté_lancé_dans_des_C.I._«_1b_»_par_diagramme_d'énergies_potentielle_et_mécanique|l'étude énergétique d'un P.P.S. à un degré de liberté dans des C.I. “1b” par diagramme d'énergies potentielle et mécanique]] » permettant de distinguer <br><math>\;\succ\;</math>« [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Mouvement_conservatif#Condition(s)_pour_que_le_mouvement_du_P.P.S.N.A._soit_oscillatoire|les conditions pour que le mouvement du P.P.S.N.A. soit oscillatoire]] », <br><math>\;\succ\;</math>« [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Mouvement_conservatif#Condition(s)_pour_que_le_mouvement_du_P.P.S.N.A._soit_révolutif|les conditions pour que le mouvement du P.P.S.N.A. soit révolutif]] » et <br><math>\;\succ\;</math>« [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Mouvement_conservatif#Condition(s)_pour_que_le_mouvement_du_P.P.S.N.A._s'arrête_en_une_position_d'équilibre_instable|les conditions pour que le mouvement du P.P.S.N.A. s'arrête en une position d'équilibre instable]] ». {{Al|5}}<u>Remarque</u> : tout ayant été traité, nous ne reprendrons que la mise en équation que l’on fait ici par application du théorème du moment cinétique scalaire à <math>\;M</math>. === Détermination de l’équation différentielle en θ(t) par application du théorème du moment cinétique scalaire au point matériel M dans le cas d’un P.P.S.N.A. === [[File:Pendule pesant simple non amorti - repérage et forces appliquées.png|thumb|300px|Schéma d'un P.P.S.N.A. <ref name="P.P.S.N.A."> Pendule Pesant Simple Non Amorti.</ref> à un degré de liberté avec repérage cylindro-polaire d'axe <math>\,\Delta_O\;</math><ref name="repérage cylindro-polaire"> Voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Divers_repérages_d'un_point_dans_l'espace#Repérage_cylindro-polaire_(ou_cylindrique)_d'un_point_dans_l'espace|repérage cylindro-polaire (ou cylindrique) d'un point dans l'espace]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>{{,}} <ref name="orientation de l'axe DeltaO"> L'axe <math>\,\Delta_O\,</math> étant orienté par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_{\!\Delta_O}\,</math> sortant du plan de la figure.</ref> et représentation des deux forces s'appliquant sur le point <math>\,M\,</math> du P.P.S.N.A. <ref name="P.P.S.N.A." />]] {{Al|5}}Le mouvement se faisant dans le plan vertical contenant initialement la tige, plus exactement, en notant <math>\,\Delta_O\,</math> l'axe passant par <math>\,O\,</math> et <math>\,\perp\,</math> au plan vertical initial, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le mouvement se faisant dans le plan vertical contenant initialement la tige, plus exactement, }}le mouvement de <math>\,M\,</math> est circulaire d'axe <math>\,\Delta_O</math> ; <br>{{Al|5}}il devient alors intéressant d'utiliser le repérage cylindro-polaire d'axe <math>\,\Delta_O\;</math><ref name="repérage cylindro-polaire" />{{,}} <ref name="orientation de l'axe DeltaO" /> pour repérer le point <math>\,M\,</math> ou, le repérage se faisant dans un plan, <br>{{Al|5}}{{Transparent|il devient alors intéressant }}d'utiliser le repérage polaire de pôle <math>\,O\,</math> et d'axe polaire <math>\,\overrightarrow{Oz}</math> <math>\,\big(</math>le plan étant orienté par <math>\,\vec{u}_{\Delta_O}\big)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|il devient alors intéressant d'utiliser }}les coordonnées polaires de <math>\,M\,</math> étant «<math>\;\left( \mathit{l}\,,\, \theta \right)\;</math>» <ref name="définition de l"> <math>\,\mathit{l}\,</math> étant la longueur de la tige.</ref> et la base polaire du plan liée au point <math>\,M\,</math> «<math>\;\left( \vec{u}_r\,,\, \vec{u}_\theta \right)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|il devient alors intéressant d'utiliser les coordonnées polaires de <math>\,\color{transparent}{M}\,</math> étant «<math>\;\color{transparent}{\left( \mathit{l}\,,\right.}</math> }}<math>\theta\,</math> définissant l'angle polaire de <math>\,M</math>, angle orienté par <math>\,\vec{u}_{\!\Delta_O}</math>, voir ci-contre. {{Al|5}}Nous nous proposons de retrouver l'équation différentielle du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> du P.P.S.N.A. <ref name="P.P.S.N.A." /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Nous nous proposons de retrouver }}en appliquant le théorème du moment cinétique scalaire au point <math>\;M\;</math> dans le référentiel d'étude galiléen <math>\;\mathcal{R}\;</math><ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un point en mouvement circulaire"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Théorèmes_des_moments_cinétiques_relativement_à_un_point_ou_un_axe_fixes#Cas_où_M_décrit,_dans_le_référentiel_d'étude_galiléen,_un_mouvement_circulaire_d'axe_«_Δ_»,_de_rayon_R_et_de_vitesse_angulaire_instantanée_donnée|Cas om M décrit, dans le référentiel d'étude galiléen, un mouvement circulaire d'axe Δ, de rayon R et de vitesse angulaire instantanée donnée]] » du chap.<math>5</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Nous nous proposons de retrouver }}le point <math>\,M\,</math> est soumis à deux forces : <math>\bullet\;</math>une force à distance « le poids de <math>\,M\;</math>» «<math>\;m\;\vec{g}\;</math>» de moment scalaire par rapport à l'axe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Nous nous proposons de retrouver le point <math>\,\color{transparent}{M}\,</math> est soumis à deux forces : <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>une force à distance }}de rotation <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = \left[ \overrightarrow{OM}(t) \wedge m\;\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_O}</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Nous nous proposons de retrouver le point <math>\,\color{transparent}{M}\,</math> est soumis à deux forces : <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>une force à distance de rotation <math>\,\color{transparent}{\Delta_O}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathit{l}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="détermination directe du moment scalaire du poids" />{{,}} <ref> Il convient bien sûr de remplacer <math>\,\mathfrak{a} = \Big\Vert \overrightarrow{OG}(t) \Big\Vert\,</math> par <math>\,\mathit{l} = \Big\Vert \overrightarrow{OM}(t) \Big\Vert\,</math> dès qu'on applique les résultats d'un P.P.N.A. à un P.P.S.N.A..</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Nous nous proposons de retrouver le point <math>\,\color{transparent}{M}\,</math> est soumis à deux forces : }}<math>\bullet\;</math>une force de contact « la tension de la tige » «<math>\;\vec{T}(t)\;</math>» <ref> A priori centripète mais pouvant être centrifuge pour des élongations angulaires obtus.</ref> de moment scalaire par rapport <br>{{Al|5}}{{Transparent|Nous nous proposons de retrouver le point <math>\,\color{transparent}{M}\,</math> est soumis à deux forces : <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>une force de contact }}à l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{T} \right](t) = \left[ \overrightarrow{OM}(t) \wedge \vec{T}(t) \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_O} = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire de T"> Le moment vectoriel de <math>\,T(t)\,</math> relativement à <math>\,O\,</math> étant nul car <math>\,\vec{T}(t)\,</math> central <math>\,\big(</math>c.-à-d. colinéaire à <math>\,\overrightarrow{OM}(t)\big)\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\! \left[ \vec{T} \right](t) = \overrightarrow{OM}(t) \wedge \vec{T}(t) = \vec{0}\,</math> d'où <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{T} \right](t) = \overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\! \left[ \vec{T} \right](t) \cdot \vec{u}_{\Delta_O} = 0</math> ; <br>{{Al|3}}on peut aussi déterminer directement le moment scalaire de <math>\,T(t)\,</math> relativement à <math>\,\Delta_O\,</math> en effet, dans la mesure où la direction de <math>\,T(t)\,</math> coupe l’axe <math>\,\Delta_O</math>, le bras de levier de <math>\,T(t)\,</math> est nul et par suite la valeur absolue du moment scalaire s'obtenant en multipliant <math>\,\Vert \vec{T}(t) \Vert\,</math> finie par le bras de levier de la force, on en déduit <math>\,\Big\vert \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{T} \right](t) \Big\vert = 0\,</math> d'où <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{T} \right](t) = 0</math>.</ref> ; <br>{{Al|5}}l'application du théorème du moment cinétique scalaire au P.P.S.N.A. <ref name="P.P.S.N.A." /> en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O</math>, fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un point en mouvement circulaire" />, conduit à <br>{{Al|5}}{{Transparent|l'application du théorème du moment cinétique scalaire }}«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) + \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{T}(t) \right] = J_{\Delta_O}(M)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>», avec <math>\,\ddot{\theta}(t)\,</math> accélération angulaire à la daue <math>\,t\,</math> et <br>{{Al|2}}{{Transparent|l'application du théorème du moment cinétique scalaire «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) + \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{T}(t) \right] = J_{\Delta_O}(M)\;\ddot{\theta}(t)}\;</math>», avec }}«<math>\;J_{\Delta_O}(M) = m\;\mathit{l}^{,2}\,</math> le moment d'inertie de <math>\,M\,\left( m \right)\,</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|l'application du théorème du moment cinétique scalaire «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) + \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{T}(t) \right] = J_{\Delta_O}(M)\;\ddot{\theta}(t)}\;</math>», avec «<math>\;\color{transparent}{J_{\Delta_O}(M) = m\;\mathit{l}^{,2}}\,</math> }}relativement à <math>\,\Delta_O\;</math>» <math>\,\big(</math>où <math>\,\mathit{l}\,</math> est la longueur de la tige<math>\big)</math>, soit encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|l'application du théorème du moment cinétique scalaire }}«<math>\;-m\;g\;\mathit{l}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right] + 0 = m\;\mathit{l}^{\,2}\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» et finalement, en normalisant l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|l'application du théorème du moment cinétique scalaire }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{g}{\mathit{l}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>» c.-à-d. une équation différentielle non linéaire du 2^ème ordre en <math>\,\theta(t)</math>, sans terme du 1^er ordre, homogène <br>{{Al|7}}{{Transparent|l'application du théorème du moment cinétique scalaire «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + g\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>» c.-à-d. }}caractérisant un <u>oscillateur non linéaire</u> <ref name="définition non énergétique d'un oscillateur non linéaire" /> dans la mesure où le mouvement reste oscillatoire. === Rappel : équilibres du pendule pesant simple et notion de stabilité === {{Al|5}}Revoir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Équilibre_et_stabilité#Définition_de_positions_d'équilibre_sur_l'exemple_du_pendule_pesant_simple_à_un_degré_de_liberté_(P.P.S.),_distinction_entre_«_forces_(ou_composantes_de_forces)_causes_de_modification_du_mouvement_»_et_«_forces_(ou_composantes_de_forces)_sans_influence_sur_une_modification_éventuelle_du_mouvement_»|définition de positions d'équilibre sur l'exemple du pendule pesant simple à un degré de liberté (P.P.S.), distinction entre “forces (ou composantes de forces) causes de modification du mouvement” et “forces (ou composantes de forces) sans influence sur une modification éventuelle du mouvement”]] » du chap.<math>18</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » pour la notion d'équilibre d'un P.P.S. <ref name="P.P.S."> [[w:Pendule_simple|Pendule Pesant Simple]].</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Revoir }}le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Équilibre_et_stabilité#Définition_de_la_stabilité_ou_de_l'instabilité_d'un_équilibre_de_point_matériel_à_un_degré_de_liberté_en_terme_de_force,_exemple_du_P.P.S._à_un_degré_de_liberté|définition de la stabilité ou de l'instabilité d'un équilibre de point matériel à un degré de liberté en terme de force, exemple du P.P.S. à un degré de liberté]] » du même chapitre de la même leçon pour la notion de stabilité <math>\;\big(</math>ou d'instabilité<math>\big)\;</math> d'un P.P.S. <ref name="P.P.S." />. {{Al|5}}<u>Retour sur la détermination des positions d'équilibre d'un P.P.S.</u> <ref name="P.P.S." /> : les abscisses angulaires d’équilibre étant les zéros de la « force motrice » <math>\big[</math>ici « composante de <math>\,m\;\vec{g}\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\theta</math>, <math>F(\theta) = -m\;g\; \sin(\theta)\;</math>»<math>\big]</math>, <br>{{Al|13}}{{Transparent|Retour sur la détermination des positions d'équilibre d'un P.P.S. : }}l’équation différentielle ayant été obtenue par «<math>\;F\! \left[ \theta(t) \right] = m\; a_\theta(t)\;</math>» et l’équilibre nécessitant «<math>\;a_\theta(t) = 0\;\; \forall\; t\;</math>» ; <br>{{Al|13}}{{Transparent|Retour sur la détermination des positions d'équilibre d'un P.P.S. : }}avec l’équation différentielle déterminée par «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = J_{\Delta_O}(M)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» <math>\big\{</math>«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)</math>, moment scalaire moteur »<math>\big\},</math> et <br>{{Al|13}}{{Transparent|Retour sur la détermination des positions d'équilibre d'un P.P.S. : avec }}l’équilibre nécessitant «<math>\;\ddot{\theta}(t) = 0\;\; \forall\; t\;</math>», les abscisses angulaires d’équilibre sont aussi les zéros du « moment scalaire moteur » <br>{{Al|13}}{{Transparent|Retour sur la détermination des positions d'équilibre d'un P.P.S. : }}d'où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,m\,\vec{g}}(\theta_{\text{éq}}) = 0\;</math>» ou «<math>\;-m\;g\; \mathit{l}\;\sin(\theta_{\text{éq}}) = 0\;</math>» soit finalement «<math>\;\theta_{\text{éq}} = 0</math> ou <math>\pi\;</math>» <ref> En se limitant aux déterminations principales c.-à-d. <math>\,\in \left] -\pi\,,\, +\pi \right]</math>.</ref>. {{Al|5}}<u>Retour sur la détermination de la stabilité</u><math>\;\big(</math><u>ou de l'instabilité</u><math>\big)\;</math><u>des équilibres d'un P.P.S.</u> <ref name="P.P.S." /> : au voisinage d’un équilibre stable, la force motrice étant « de rappel » <math>\big[</math>ici « au voisinage de <math>\,\theta_{\text{éq}} = 0</math>, <br>{{Al|13}}{{Transparent|Retour sur la détermination de la stabilité<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>ou de l'instabilité<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>des équilibres d'un P.P.S. : au voisinage d’un équilibre stable, la force motrice étant « de rappel » <math>\color{transparent}{\big[}</math>}}<math>F(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) = -m\;g\; \sin(\varepsilon) \simeq</math> <br>{{Al|13}}{{Transparent|Retour sur la détermination de la stabilité<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>ou de l'instabilité<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>des équilibres d'un P.P.S. : au voisinage d’un équilibre stable, la force motrice étant « de rappel » <math>\color{transparent}{\big[}</math>}}<math>-m\;g\;\varepsilon\;</math>» de rappel<math>\big]</math>, <br>{{Al|13}}{{Transparent|Retour sur la détermination de la stabilité<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>ou de l'instabilité<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>des équilibres d'un P.P.S. : }}au voisinage d'un équilibre instable, la force motrice étant « répulsive » <math>\big[</math>ici « au voisinage de <math>\,\theta_{\text{éq}} = \pi</math>, <br>{{Al|13}}{{Transparent|Retour sur la détermination de la stabilité<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>ou de l'instabilité<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>des équilibres d'un P.P.S. : au voisinage d’un équilibre instable, la force motrice étant « répulsive » <math>\color{transparent}{\big[}</math>}}<math>F(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) = m\;g\; \sin(\varepsilon) \simeq m\;g\;\varepsilon\;</math>» <br>{{Al|13}}{{Transparent|Retour sur la détermination de la stabilité<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>ou de l'instabilité<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>des équilibres d'un P.P.S. : au voisinage d’un équilibre instable, la force motrice étant « répulsive » <math>\color{transparent}{\big[}</math>}}répulsive<math>\big]</math> ; <br>{{Al|13}}{{Transparent|Retour sur la détermination de la stabilité<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>ou de l'instabilité<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>des équilibres d'un P.P.S. : }}ici le moment scalaire moteur «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right] = -m\;g\; \mathit{l}\;\sin(\theta)\,</math> lié à la force motrice <math>\,F(\theta) = -m\;g\; \sin(\theta)\;</math>» <br>{{Al|13}}{{Transparent|Retour sur la détermination de la stabilité<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>ou de l'instabilité<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>des équilibres d'un P.P.S. : ici le moment scalaire moteur «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right] = -m\;g\; \mathit{l}\;\sin(\theta)}\,</math> lié }}par «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right] = F(\theta)\;\mathit{l}\;</math>» nous induisons <br>{{Al|13}}{{Transparent|Retour sur la détermination de la stabilité<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>ou de l'instabilité<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>des équilibres d'un P.P.S. : }}la propriété <math>\bullet\;</math>si le moment scalaire moteur est « de rappel » au voisinage d'un équilibre, ce dernier est stable et <br>{{Al|13}}{{Transparent|Retour sur la détermination de la stabilité<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>ou de l'instabilité<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>des équilibres d'un P.P.S. : la propriété }}<math>\bullet\;</math>si le moment scalaire moteur est « répulsif » au voisinage d'un équilibre, ce dernier est instable. {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Ce qui a été rappelé ci-dessus est la détermination algébrique de la stabilité <math>\,\big(</math>ou de l'instabilité<math>\big)</math> des équilibres d'un P.P.S. <ref name="P.P.S." />, mais il existe aussi <br>{{Al|2}}{{Transparent|Remarque : Ce qui a été rappelé ci-dessus est }}une détermination graphique <ref name="détemination graphique de la stabilité ou non des équilibres d'un P.P.S."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Équilibre_et_stabilité#Méthode_graphique_de_vérification_de_la_stabilité_ou_de_l'instabilité_des_équilibres_du_P.P.S._à_un_degré_de_liberté|méthode graphique de vérification de la stabilité ou de l'instabilité des équilibres du P.P.S. à un degré de liberté]] » du chap.<math>18</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> qui peut être restituée en remplaçant la « composante orthoradiale de force motrice » par le « moment scalaire moteur » <math>\ldots</math> === En complément : généralisation à la détermination des positions d’équilibre d’un solide en rotation autour d’un axe fixe ainsi que de leur stabilité ou instabilité en terme de moment scalaire moteur === {{Al|5}}<u>Détermination des positions d'équilibre d'un solide en rotation autour d’un axe fixe</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Détermination des positions d'équilibre }}Il y a deux types de moments scalaires agissant sur un solide en rotation : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Détermination des positions d'équilibre Il y a deux types de moments scalaires }}<math>\bullet\;</math>ceux des forces « motrices » <ref name="moteur"> On rappelle que « moteur » signifie ici « cause de modification de mouvement », la force pouvant en fait accélérer ou freiner le solide.</ref> qui sont les causes de modification du moment cinétique scalaire <br>{{Al|13}}{{Transparent|Détermination des positions d'équilibre Il y a deux types de moments scalaires <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ceux des forces « motrices » }}<math>\big[</math>correspondant à des actions ou des réactions tangentielles au mouvement<math>\big]</math>, <br>{{Al|13}}{{Transparent|Détermination des positions d'équilibre Il y a deux types de moments scalaires <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ceux des forces « motrices » }}ces moments scalaires étant qualifiés de « moteurs » et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Détermination des positions d'équilibre Il y a deux types de moments scalaires }}<math>\bullet\;</math>ceux des forces « non motrices » qui sont <math>\,\perp\,</math> au mouvement <math>\big[</math>correspondant aussi bien à des actions qu'à des réactions <br>{{Al|5}}{{Transparent|Détermination des positions d'équilibre Il y a deux types de moments scalaires <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ceux des forces « non motrices » qui sont <math>\,\color{transparent}{\perp}\,</math> au mouvement <math>\color{transparent}{\big[}</math>}}pourvues qu'elles soient <math>\,\perp\,</math> au mouvement<math>\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Détermination des positions d'équilibre Il y a deux types de moments scalaires <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ceux des forces « non motrices » }}les moments scalaires de ces forces étant en fait nuls ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Détermination des positions d'équilibre }}soit «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)\;</math>» le « moment scalaire moteur agissant sur le solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> et ne s’annulant pas avec le mouvement » <ref> On élimine ainsi le moment scalaire des forces de frottement fluide.</ref>{{,}} <ref> En fait il s'agit du moment scalaire résultant moteur s'il y a plusieurs moments scalaires moteurs ne s'annulant pas avec le mouvement.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Détermination des positions d'équilibre }}les abscisses angulaires «<math>\;\theta_{\text{éq}}\;</math>» des positions d’équilibre du solide sont les zéros de «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)\;</math>» à savoir les valeurs «<math>\;\theta_{\text{éq}}\,</math> telles que <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}}) = 0\;</math>». {{Al|5}}<u>Détermination</u><math>\;\big(</math><u>algébrique</u><math>\big)\;</math><u>de la stabilité</u><math>\;\big(</math><u>ou de l'instabilité</u><math>\big)\;</math><u>des équilibres du solide précédent en rotation autour d’un axe fixe</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>}}pour étudier la stabilité <math>\,\big(</math>ou l'instabilité<math>\big)\,</math> de l’équilibre repéré par «<math>\;\theta_{\text{éq}}\,</math> telle que <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}}) = 0\;</math>», <br>{{Al|6}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité }}faire un D.L. <ref name="D.L." /> à l’ordre le plus bas non nul du « moment scalaire moteur <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)\;</math>» au voisinage de la position d’équilibre «<math>\;\theta_{\text{éq}}\;</math>» et <br>{{Al|6}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité }}conclure selon les résultats suivants : <br>{{Al|6}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure }}<math>\bullet\;</math><u>cas usuel</u> «<math>\;\dfrac{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta}(\theta_{\text{éq}}) \neq 0\;</math>», le développement de <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)\,</math> au voisinage de <math>\,\theta_{\text{éq}}\,</math> est limité à l'ordre un <br>{{Al|6}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas usuel }}«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) \simeq \dfrac{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta}(\theta_{\text{éq}})\;\varepsilon\;</math>» <math>\blacktriangleright\;</math>si «<math>\;\dfrac{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta}(\theta_{\text{éq}})\,</math> est <math>\,< 0\;</math>» <ref> Cas du P.P.S. à un degré de liberté pour l'équilibre repéré par <math>\,\theta_{\text{éq},\,1} \equiv 0\!\!\pmod{2\;\pi}</math>, la dérivée de <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta) = -m\;g\;\mathit{l}\;\sin(\theta)\,</math> par rapport à la variable de position conduisant à <math>\,\dfrac{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta}(\theta) =</math> <math>-m\;g\;\mathit{l}\;\cos(\theta)\,</math> et par suite à <math>\,\dfrac{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta}(\theta_{\text{éq},\,1}) = -m\;g\;\mathit{l}\; <\; 0</math>.</ref>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)\,</math> est « un moment scalaire <u>de rappel</u> » et <br>{{Al|18}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas usuel «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) \simeq d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\;\varepsilon}\;</math>» <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{< 0}\;</math>», }}l'équilibre est « <u>stable</u> », <br>{{Al|9}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas usuel «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) \simeq d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\;\varepsilon}\;</math>» }}<math>\blacktriangleright\;</math>si «<math>\;\dfrac{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta}(\theta_{\text{éq}})\;</math> est <math>\;> 0\;</math>» <ref> Cas du P.P.S. à un degré de liberté pour l'équilibre repéré par <math>\;\theta_{\text{éq},\,2} \equiv \pi\!\!\pmod{2\;\pi}</math>, la dérivée de <math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta) = -m\;g\;\mathit{l}\;\sin(\theta)\;</math> par rapport à la variable de position conduisant à <math>\;\dfrac{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta}(\theta) =</math> <math>-m\;g\;\mathit{l}\;\cos(\theta)\;</math> et par suite à <math>\;\dfrac{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta}(\theta_{\text{éq},\,2}) = m\;g\;\mathit{l}\; >\; 0</math>.</ref>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)\,</math> est « un moment scalaire <u>répulsif</u> » et <br>{{Al|20}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas usuel «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) \simeq d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\;\varepsilon}\;</math>» <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{> 0}\;</math>», }}l'équilibre est « <u>instable</u> », <br>{{Al|6}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure }}<math>\bullet\;</math><u>cas peu fréquent</u> «<math>\;\dfrac{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta}(\theta_{\text{éq}}) = 0\;</math>», le développement de <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)\,</math> au voisinage de <math>\,\theta_{\text{éq}}\,</math> est limité à l'ordre deux ou plus <br>{{Al|6}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas peu fréquent «<math>\;\color{transparent}{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}}) = 0}\;</math>», }}<math>\succ\;</math>si «<math>\;\dfrac{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^2}(\theta_{\text{éq}})\,\neq 0\;</math>», développement de <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)\,</math> au voisinage de <math>\,\theta_{\text{éq}}\,</math> limité à l'ordre deux <br>{{Al|8}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas peu fréquent «<math>\;\color{transparent}{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}}) = 0}\;</math>», <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\,\neq 0}\;</math>», }}«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) \simeq \dfrac{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^2}(\theta_{\text{éq}})\;\dfrac{\varepsilon^2}{2}\;</math>» de signe de <math>\,\dfrac{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^2}(\theta_{\text{éq}})</math>, <br>{{Al|8}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas peu fréquent «<math>\;\color{transparent}{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}}) = 0}\;</math>», <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\,\neq 0}\;</math>», }}l'équilibre est donc « <u>globalement instable</u> » <ref> En effet «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)\,</math> étant toujours du signe de <math>\,\dfrac{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^2}(\theta_{\text{éq}})\,</math> quel que soit le signe de <math>\,\varepsilon\;</math>», cela correspond à un équilibre stable d'un côté et instable de l'autre, plus précisément <br>{{Al|3}}<math>\bullet\;</math>pour <math>\,\dfrac{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^2}(\theta_{\text{éq}})\,>\, 0\,</math> et <math>\,\varepsilon < 0</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) \,>\, 0\,</math> agit pour ramener le solide vers sa position d'équilibre, l'équilibre étant donc localement stable mais le solide dépassant la position d'équilibre, alors <math>\,\varepsilon\,</math> devient <math>\,> 0\,</math> avec <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon)\,</math> restant <math>\,> 0\,</math> d'où l'équilibre devenant localement instable, <br>{{Al|3}}<math>\bullet\;</math>pour <math>\,\dfrac{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^2}(\theta_{\text{éq}})\,>\, 0\,</math> et <math>\,\varepsilon > 0</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) \,>\, 0\,</math> agit pour éloigner le solide de sa position d'équilibre, l'équilibre étant donc localement instable, <br>{{Al|3}}<math>\bullet\;</math>pour <math>\,\dfrac{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^2}(\theta_{\text{éq}})\,<\, 0\,</math> et <math>\,\varepsilon < 0</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) \,<\, 0\,</math> agit pour éloigner le solide de sa position d'équilibre, l'équilibre étant donc localement instable, <br>{{Al|3}}<math>\bullet\;</math>pour <math>\,\dfrac{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^2}(\theta_{\text{éq}})\,<\, 0\,</math> et <math>\,\varepsilon > 0</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) \,<\, 0\,</math> agit pour ramener le solide vers sa position d'équilibre, l'équilibre étant donc localement stable, mais le solide dépassant la position d'équilibre, alors <math>\,\varepsilon\,</math> devient <math>\,< 0\,</math> avec <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon)\,</math> restant <math>\,< 0\,</math> d'où l'équilibre devenant localement instable.</ref>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas peu fréquent «<math>\;\color{transparent}{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}}) = 0}\;</math>», }}<math>\succ\;</math>si «<math>\;\dfrac{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^2}(\theta_{\text{éq}})\,= 0\,</math> et <math>\,\dfrac{d^3 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^3}(\theta_{\text{éq}})\;\neq 0\;</math>», développement de <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)\,</math> au voisinage de <br>{{Al|10}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas peu fréquent «<math>\;\color{transparent}{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}}) = 0}\;</math>», <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\,= 0}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{d^3 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\;\neq 0}\;</math>», développement de }}<math>\,\theta_{\text{éq}}\,</math> limité à l'ordre trois <br>{{Al|10}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas peu fréquent «<math>\;\color{transparent}{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}}) = 0}\;</math>», <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\,= 0}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{d^3 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\;\neq 0}\;</math>», }}«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) \simeq \dfrac{d^3 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^3}(\theta_{\text{éq}})\;\dfrac{\varepsilon^3}{6}\;</math>», <br>{{Al|8}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas peu fréquent «<math>\;\color{transparent}{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}}) = 0}\;</math>», <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\,= 0}\,</math> }}<math>\blacktriangleright\;</math>si «<math>\;\dfrac{d^3 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^3}(\theta_{\text{éq}})\,< 0\;</math>», <math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)</math> « moment scalaire <u>de rappel</u> » et <br>{{Al|10}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas peu fréquent «<math>\;\color{transparent}{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}}) = 0}\;</math>», <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\,= 0}\,</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d^3 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\,< 0}\;</math>», }}équilibre « <u>stable</u> », <br>{{Al|8}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas peu fréquent «<math>\;\color{transparent}{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}}) = 0}\;</math>», <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\,= 0}\,</math> }}<math>\blacktriangleright\;</math>si «<math>\;\dfrac{d^3 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^3}(\theta_{\text{éq}})\,> 0\;</math>», <math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)</math> « moment scalaire <u>répulsif</u> » et <br>{{Al|10}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas peu fréquent «<math>\;\color{transparent}{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}}) = 0}\;</math>», <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\,= 0}\,</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d^3 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\,> 0}\;</math>», }}équilibre « <u>instable</u> », <br>{{Al|6}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure }}<math>\bullet\;</math><u>cas inexistant en pratique</u> <ref> Mais qui, en théorie, pourrait exister.</ref> «<math>\;\dfrac{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta}(\theta_{\text{éq}}) = 0</math>, <math>\,\dfrac{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^2}(\theta_{\text{éq}}) = 0\,</math> et <math>\,\dfrac{d^3 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^3}(\theta_{\text{éq}}) = 0\;</math>», développement de <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)\,</math> au voisinage <br>{{Al|19}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas inexistant en pratique «<math>\;\color{transparent}{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}}) = 0}</math>, <math>\,\color{transparent}{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}}) = 0}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{d^3 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}}) = 0}\;</math>», }}de <math>\,\theta_{\text{éq}}\,</math> limité à l'ordre quatre ou plus <br>{{Al|13}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas inexistant en pratique }}<math>\succ\;</math>si «<math>\;\dfrac{d^4 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^4}(\theta_{\text{éq}})\,\neq 0\;</math>» le développement de <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)\,</math> au voisinage de <math>\,\theta_{\text{éq}}\,</math> est limité à l'ordre quatre <br>{{Al|15}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas inexistant en pratique <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d^4 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\,\neq 0}\;</math>» }}«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) \simeq \dfrac{d^4 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^4}(\theta_{\text{éq}})\;\dfrac{\varepsilon^4}{24}\;</math>» de signe de <math>\,\dfrac{d^4 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^4}(\theta_{\text{éq}})</math>, <br>{{Al|15}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas inexistant en pratique <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d^4 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\,\neq 0}\;</math>» }}l'quilibre est donc « <u>globalement instable</u> » <ref> En effet «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)\,</math> étant toujours du signe de <math>\,\dfrac{d^4 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^4}(\theta_{\text{éq}})\,</math> quel que soit le signe de <math>\,\varepsilon\;</math>», cela correspond à un équilibre stable d'un côté et instable de l'autre, plus précisément <br>{{Al|3}}<math>\bullet\;</math>pour <math>\,\dfrac{d^4 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^4}(\theta_{\text{éq}})\,>\, 0\,</math> et <math>\,\varepsilon < 0</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) \,>\, 0\,</math> agit pour ramener le solide vers sa position d'équilibre, l'équilibre étant donc localement stable mais le solide dépassant la position d'équilibre, alors <math>\,\varepsilon\,</math> devient <math>\,> 0\,</math> avec <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon)\,</math> restant <math>\,> 0\,</math> d'où l'équilibre devenant localement instable, <br>{{Al|3}}<math>\bullet\;</math>pour <math>\,\dfrac{d^4 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^4}(\theta_{\text{éq}})\,>\, 0\,</math> et <math>\,\varepsilon > 0</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) \,>\, 0\,</math> agit pour éloigner le solide de sa position d'équilibre, l'équilibre étant donc localement instable, <br>{{Al|3}}<math>\bullet\;</math>pour <math>\,\dfrac{d^4 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^4}(\theta_{\text{éq}})\,<\, 0\,</math> et <math>\,\varepsilon < 0</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) \,<\, 0\,</math> agit pour éloigner le solide de sa position d'équilibre, l'équilibre étant donc localement instable, <br>{{Al|3}}<math>\bullet\;</math>pour <math>\,\dfrac{d^4 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^4}(\theta_{\text{éq}})\,<\, 0\,</math> et <math>\,\varepsilon > 0</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) \,<\, 0\,</math> agit pour ramener le solide vers sa position d'équilibre, l'équilibre étant donc localement stable, mais le solide dépassant la position d'équilibre, alors <math>\,\varepsilon\,</math> devient <math>\,< 0\,</math> avec <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon)\,</math> restant <math>\,< 0\,</math> d'où l'équilibre devenant localement instable.</ref>, <br>{{Al|13}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas inexistant en pratique }}<math>\succ\;</math>si «<math>\;\dfrac{d^4 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^4}(\theta_{\text{éq}})\,= 0\,</math> et <math>\,\dfrac{d^5 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^5}(\theta_{\text{éq}})\;\neq 0\;</math>», le développement de <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)\,</math> au voisinage de <math>\,\theta_{\text{éq}}\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas inexistant en pratique <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d^4 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\,= 0}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{d^5 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\;\neq 0}\;</math>», le développement de <math>\,\color{transparent}{\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)}\,</math> }}est limité à l'ordre cinq <br>{{Al|17}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas inexistant en pratique <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d^4 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\,= 0}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{d^5 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\;\neq 0}\;</math>», }}«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) \simeq \dfrac{d^5 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^5}(\theta_{\text{éq}})\;\dfrac{\varepsilon^5}{120}\;</math>», soit <br>{{Al|17}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas inexistant en pratique <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d^4 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\,= 0}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{d^5 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\;\neq 0}\;</math>», }}un équilibre « <u>stable</u> pour <math>\,\dfrac{d^5 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^5}(\theta_{\text{éq}})\, <\, 0\;</math>» et <br>{{Al|17}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas inexistant en pratique <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d^4 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\,= 0}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{d^5 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\;\neq 0}\;</math>», }}un équilibre « <u>instable</u> pour <math>\,\dfrac{d^5 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^5}(\theta_{\text{éq}})\, >\, 0\;</math>». == Rappel du cas particulier : pendule pesant simple (non amorti à un degré de liberté) utilisant un fil idéal, détermination de la tension du fil et conditions de lancement pour que le fil reste tendu == [[File:Pendule pesant simple - repérage et forces appliquées - bis.png|thumb|300px|Schéma d'un P.P.S.N.A. <ref name="P.P.S.N.A." /> à un degré de liberté lancé dans les C.I. <ref name="C.I." /> <math>\;1\mathfrak{a} \cup 1\mathfrak{b}\;</math><ref name="C.I. 1a ou 1b" />, le point <math>\,M\,</math> du {{Nobr|P.P.S.N.A. <ref name="P.P.S.N.A." />}} à fil idéal <ref name="fil idéal"> C.-à-d. inextensible et sans masse.</ref> supposé tendu ayant un mouvement circulaire d'axe <math>\,\Delta\,</math> passant par <math>\,O\,</math> avec repérage polaire de pôle <math>\,O</math> <math>\,\big(</math>et d'axe <math>\,\Delta\big)\,</math> de <math>\,M\,</math> et représentation des deux forces s'appliquant sur lui]] {{Al|5}}Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Mouvement_conservatif#2ème_additif_:_«_dans_le_cas_où_le_P.P.S._est_constitué_d'un_fil_idéal_se_substituant_à_la_tige_rigide,_valider_la_condition_de_tension_du_fil_»|2^ème additif : “dans le cas où le P.P.S. est constitué d'un fil idéal se substituant à la tige rigide, valider la condition de tension du fil”]] » <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe }}du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] », <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe }}nous rappelons les principaux résultats ci-dessous : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons }}Après utilisation successive de la projection sur <math>\,\vec{u}_r\,</math> de la r.f.d.n. <ref name="r.f.d.n."> Relation Fondamentale de la Dynamique Newtonienne.</ref> appliquée à <math>\,M\,</math> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\overline{T}(t) = \vec{T}(t) \cdot \vec{u}_r</math> <br>{{Al|13}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons Après utilisation successive de la projection sur <math>\,\color{transparent}{\vec{u}_r}\,</math> de la r.f.d.n. appliquée à <math>\,\color{transparent}{M}\,</math> <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{transparent}{\overline{T}(t)}</math> }}<math>= -m\, \left\lbrace \mathit{l}\,\dot{\theta}^2\!(t) + g\,\cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <br>{{Al|2}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons Après utilisation successive}}et de l'intégrale 1^ère énergétique de <math>\,M\,</math> «<math>\;\dfrac{1}{2}\;m\;\mathit{l}^{\,2}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\; \mathit{l}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace = E_{m,\,0}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons Après utilisation successive }}nous avons trouvé, pour composante du vecteur tension du fil <math>\,\vec{T}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_r</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons Après utilisation successive nous avons trouvé, }}«<math>\;\overline{T}(t) = \vec{T}(t) \cdot \vec{u}_r = -m\;g\, \left\lbrace \dfrac{2\;E_{m,\,0}}{m\;g\;\mathit{l}} - 2 + 3\;\cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons }}le fil restant tendu dans tout le mouvement si <math>\,\overline{T}(\theta)\;</math><ref> Il s'agit d'un abus d'écriture usuel en physique <math>\,\big(</math>mais non toléré en mathématiques<math>\big)\,</math> consistant à confondre la fonction avec la valeur de la fonction, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Il s'agit d'un abus d'écriture usuel en physique }}<math>\,\overline{T}(t)\,</math> valeur de la fonction <math>\,f\,</math> composante radiale du vecteur tension du fil de la variable <math>\,\theta\,</math> <br>{{Al|3}}{{Transparent|Il s'agit d'un abus d'écriture usuel en physique <math>\,\color{transparent}{\overline{T}(t)}\,</math> valeur de la fonction <math>\,\color{transparent}{f}\,</math> }}composée avec la fonction <math>\,g\,</math> loi horaire de position angulaire du P.P.S. de la variable <math>\,t\,</math> <br>{{Al|3}}{{Transparent|Il s'agit d'un abus d'écriture usuel en physique <math>\,\color{transparent}{\overline{T}(t)}\,</math> }}est identifié, en physique, à <math>\,\overline{T}(\theta)\,</math> mais <br>{{Al|3}}{{Transparent|Il s'agit d'un abus d'écriture usuel en physique }}cette même valeur serait notée en mathématiques <math>\,f\! \left[ g(t) \right]\,</math> ou <math>\,f(\theta)\,</math> faisant la distinction entre la fonction <math>\,f \circ g\,</math> de la variable <math>\,t\,</math> et <math>\,f\,</math> de la variable <math>\,\theta</math> ; <br>{{Al|3}}cet abus est très utile en physique car il permet de limiter fortement le nombre de grandeurs introduites.</ref> est <math>\;< 0\;\;\forall\; \theta</math>, ce qui est réalisé « si le maximum de <math>\;\overline{T}(\theta)\,</math> est <math>\,< 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu }}il convient, pour poursuivre, d'introduire le domaine de variation de <math>\,\theta</math>, ce qui nécessite <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu il convient, pour poursuivre, }}de distinguer la nature révolutive ou oscillatoire hypothétique du P.P.S.N.A. <ref name="P.P.S.N.A." /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu il convient, pour poursuivre, de distinguer }}suivant son énergie mécanique initiale : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu }}<math>\bullet\;</math>si «<math>\;E_{m,\,0}\,</math> est <math>\,>\,</math> à <math>\,2\,m\,g\,\mathit{l}\;</math>» <ref> Nous sommes nécessairement dans les C.I. de type <math>\,1\mathfrak{b}\,</math> c.-à-d. que <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,\neq 0</math>.</ref>, le mouvement du P.P.S.N.A. <ref name="P.P.S.N.A." /> étant révolutif <math>\,\big(</math>tant que le fil reste tendu<math>\big)</math>, <br>{{Al|13}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{>}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» }}le domaine de variation de <math>\,\theta\,</math> est «<math>\;\left\lbrace \begin{array}{r c l} \left[ \theta_0\,,\,+\infty \right[ & \text{pour} & \dot{\theta}_0 > 0\\ \left] -\infty\,,\,\theta_0 \right] & \text{pour} & \dot{\theta}_0 < 0 \end{array} \right\rbrace\;</math>» <br>{{Al|13}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{>}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» }}mais, la fonction <math>\,\overline{T}(\theta) = -m\,g\, \left[ \dfrac{2\,E_{m,\,0}}{m\,g\,\mathit{l}} - 2 + 3\,\cos(\theta) \right]\,</math> étant <br>{{Al|13}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{>}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» mais, la fonction <math>\,\color{transparent}{\overline{T}(\theta)}</math> }}<math>\,2\,\pi</math>-périodique et paire, « la recherche de son <br>{{Al|13}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{>}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» mais, }}maximum peut être restreinte à <math>\,\left[ 0\,,\,+\pi \right]</math>, <math>\,\forall\,</math> signe de <math>\,\dot{\theta}_0\;</math>» <ref> En effet la fonction <math>\,\overline{T}(\theta) = -m\,g\, \left[ \dfrac{2\,E_{m,\,0}}{m\,g\,l} - 2 + 3\,\cos(\theta) \right]\,</math> étant <math>\,2\,\pi</math>-périodique et paire, la recherche de son maximum peut être restreinte à un intervalle de largeur <math>\,\pi\,</math> à partir duquel on obtient toutes les valeurs possibles de <math>\,\overline{T}(\theta)</math>, <math>\,\big[</math>de largeur <math>\,2\,\pi\,</math> car <math>\,\overline{T}(\theta)\,</math> est <math>2\,\pi</math>-périodique et de largeur <math>\,\pi\,</math> car <math>\,\overline{T}(\theta)\,</math> est en plus paire<math>\big]\,</math> par exemple, <br>{{Al|3}}{{Transparent|En effet }}en supposant <math>\,\dot{\theta}_0 > 0</math>, la condition de fil tendu pour un mouvement hypothétique révolutif se réécrit <math>\,\max\limits_{\left[ \theta_0\,,\,\theta_0 + \pi \right]} \left\lbrace \overline{T}(\theta) \right\rbrace < 0\,</math> ou <math>\,\max\limits_{\left[ 0\,,\, +\pi \right]} \left\lbrace \overline{T}(\theta) \right\rbrace < 0</math> <math>\,\Big\{</math>car toutes les valeurs possibles sont aussi trouvées en restreignant l'intervalle de définition de <math>\,\overline{T}(\theta)\,</math> à <math>\,\left[ 0\,,\,+\pi \right]\Big\}\,</math> et, <br>{{Al|3}}{{Transparent|En effet }}en supposant <math>\,\dot{\theta}_0 < 0</math>, elle se réécrit <math>\,\max\limits_{\left[ \theta_0 - \pi\,,\, \theta_0 \right]} \left\lbrace \overline{T}(\theta) \right\rbrace < 0\,</math> ou <math>\,\max\limits_{\left[ -\pi\,,\,0 \right]} \left\lbrace \overline{T}(\theta) \right\rbrace < 0</math> <math>\,\Big\{</math>toutes les valeurs possibles étant aussi trouvées en restreignant l'intervalle de définition de <math>\,\overline{T}(\theta)\,</math> à <math>\,\left[ -\pi\,,\,0 \right]\,</math> ou encore <math>\,\left[ 0\,,\,+\pi \right]\Big\}</math>.</ref> soit, <br>{{Al|13}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{>}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» }}avec <math>\,\overline{T}(\theta) = -m\,g\, \left[ \dfrac{2\,E_{m,\,0}}{m\,g\,\mathit{l}} - 2 + 3\,\cos(\theta) \right]\,\nearrow\,</math> sur <math>\,\left[ 0\,,\, +\pi \right]</math>, son <br>{{Al|13}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{>}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» }}maximum s'obtenant alors pour <math>\,\pi</math>, la condition de fil tendu se réécrit «<math>\;\max\limits_{\left[ 0\,,\,+\pi \right]} \left\lbrace \overline{T}(\theta) \right\rbrace = \overline{T}(+\pi) < 0\;</math>» ou encore <br>{{Al|13}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{>}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» }}<math>\,\overline{T}(+\pi) = -m\,g\, \left[ \dfrac{2\,E_{m,\,0}}{m\,g\,\mathit{l}} - 5 \right] < 0\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,E_{m,\,0} > \dfrac{5}{2}\;m\;g\;\mathit{l}</math>, finalement <br>{{Al|13}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{>}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» }}« la <u>condition pour que le mouvement du P.P.S.N.A. <ref name="P.P.S.N.A." /> à fil idéal <ref name="fil idéal" /> soit effectivement révolutif</u> <br>{{Al|13}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{>}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» « }}sans que le fil ne se détende est <math>\,E_{m,\,0} > \dfrac{5}{2}\;m\;g\;\mathit{l}\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu }}<math>\bullet\;</math>si «<math>\;E_{m,\,0}\,</math> est <math>\,<\,</math> à <math>\,2\,m\,g\,\mathit{l}\;</math>», le mouvement du P.P.S.N.A. <ref name="P.P.S.N.A." /> étant oscillatoire <math>\,\big(</math>tant que le fil reste tendu<math>\big)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{<}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» }}le domaine de variation de <math>\,\theta\,</math> est «<math>\;\left[ -\theta_m\,,\,+\theta_m \right[\,</math> dans lequel l'amplitude <math>\,\theta_m = \arccos\! \left[ 1 - \dfrac{E_{m,\,0}}{m\,g\,\mathit{l}} \right]\;</math>» <ref name="arccosinus"> Voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Fonctions_trigonométriques_inverses#Fonction_inverse_de_la_fonction_cosinus_:_fonction_arccosinus|fonction inverse de la fonction cosinus : fonction arccosinus]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>{{,}} <ref name="amplitude d'oscillations"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Mouvement_conservatif#Condition(s)_pour_que_le_mouvement_du_P.P.S.N.A._soit_oscillatoire|condition(s) pour que le mouvement du P.P.S.N.A. soit oscillatoire]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{<}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» }}mais, la fonction <math>\,\overline{T}(\theta) = -m\,g\, \left[ \dfrac{2\,E_{m,\,0}}{m\,g\,\mathit{l}} - 2 + 3\,\cos(\theta) \right]\,</math> étant <math>\,2\,\pi</math>-périodique et paire, « la recherche de son <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{<}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» mais, }}maximum peut être restreinte à <math>\,\left[ 0\,,\,\theta_m \right]\,</math> et, avec <math>\,\overline{T}(\theta) = -m\,g\, \left[ \dfrac{2\,E_{m,\,0}}{m\,g\,\mathit{l}} - 2 + 3\,\cos(\theta) \right]\,\nearrow\,</math> sur <math>\,\left[ 0\,,\, \theta_m \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{<}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» }}son maximum s'obtenant alors pour <math>\,\theta_m</math>, la condition de fil tendu se réécrit «<math>\;\max\limits_{\left[ 0\,,\,\theta_m \right]} \left\lbrace \overline{T}(\theta) \right\rbrace = \overline{T}(\theta_m) < 0\;</math>» ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{<}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» }}<math>\,\overline{T}(\theta_m) = -m\,g\, \left[ \dfrac{2\,E_{m,\,0}}{m\,g\,\mathit{l}} - 2 + 3\,\cos(\theta_m) \right] = -m\,g\, \left\lbrace \dfrac{2\,E_{m,\,0}}{m\,g\,\mathit{l}} - 2 + 3\, \left[ 1 - \dfrac{E_{m,\,0}}{m\,g\,\mathit{l}} \right] \right\rbrace = m\,g\, \left\lbrace \dfrac{E_{m,\,0}}{m\,g\,\mathit{l}} - 1 \right\rbrace</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{<}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\overline{T}(\theta_m)}</math> }}<math>< 0\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,E_{m,\,0} < m\;g\;\mathit{l}</math>, finalement <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{<}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» }}« la <u>condition pour que le mouvement du P.P.S.N.A. <ref name="P.P.S.N.A." /> à fil idéal <ref name="fil idéal" /> soit effectivement oscillatoire</u> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{<}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» « }}sans que le fil ne se détende est <math>\,E_{m,\,0} < m\;g\;\mathit{l}\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu }}<math>\bullet\;</math>en conclusion si «<math>\;E_{m,\,0} \in \left[ m\,g\,\mathit{l}\,,\, \dfrac{5}{2}\,m\,g\,\mathit{l} \right[\;</math>», <u>le fil se détend</u> pour «<math>\;\theta_{\text{détente}}\,</math> telle que <math>\,\overline{T}(\theta_{\text{détente}}) = 0\;</math>» soit <br>{{Al|9}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>en conclusion si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0} \in \left[ m\,g\,\mathit{l}\,,\, 5\,m\,g\,\mathit{l} \right[}\;</math>», le fil se détend pour }}«<math>\;\vert \theta_{\text{détente}} \vert = \arccos\! \left[ \dfrac{2}{3} - \dfrac{2\,E_{m,\,0}}{3\,m\,g\, \mathit{l}} \right]\, \in \left[ \dfrac{\pi}{2}\,,\, \pi \right]\;</math>» <ref name="arccosinus" />. == Notes et références == <references /> {{Bas de page | idfaculté = physique | précédent = [[../Loi du moment cinétique : Pendule pesant 1ère partie|Loi du moment cinétique : Pendule pesant 1ère partie]] | suivant = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Énergie cinétique du solide en rotation|Approche énergét. du mouv. d'un sol. en rotat. autour d'un axe fixe : Énergie cinétique du solide en rotation]] }} rpnq8fm5bj87oura17sq2ofx42igz66 987975 987974 2026-11-01T11:02:01Z Phl7605 31541 /* Rappel du cas particulier : pendule pesant simple (non amorti à un degré de liberté) utilisant un fil idéal, détermination de la tension du fil et conditions de lancement pour que le fil reste tendu */ 987975 wikitext text/x-wiki {{Chapitre | idfaculté = physique | numéro = 9 | niveau = 14 | précédent = [[../Loi du moment cinétique : Pendule pesant 1ère partie/]] | suivant = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Énergie cinétique du solide en rotation/]] }} <center>Nous nous plaçons, dans ce chapitre, dans le cadre de la dynamique newtonienne, <br>l'espace physique considéré étant <math>\,\big(</math>sauf avis contraire<math>\big)\,</math> « orienté à droite » <ref name="orienté à droite"> Voir l'« introduction du paragraphe [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Produit_vectoriel_de_deux_vecteurs|produit vectoriel de deux vecteurs]] (pour la signification d'espace orienté à droite) » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>.</center> == Réalisation expérimentale du portrait de phase d’un pendule pesant (non amorti à un degré de liberté), mise en évidence d’un amortissement (correspondant à une diminution d’« énergie mécanique ») == === Description du dispositif expérimental === [[File:Pendule pesant - dispositif pour diagramme horaire de position.png|thumb|500px|left|Dispositif expérimental de détermination du diagramme horaire de position angulaire d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] dont l'axe de rotation est solidaire d'un potentiomètre <math>10</math> tours]] {{Al|5}}Bien que nous souhaitons étudier un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A."> Pendule Pesant Non Amorti.</ref>, les frottements fluide <math>\,\big(</math>et solide<math>\big)\,</math> ne peuvent jamais être totalement éliminés, ils ne peuvent qu'être réduits, la réduction sera considérée comme satisfaisante pour un mouvement {{Nobr|pendulaire <ref name="pendulaire"> Adjectif synonyme d'« oscillatoire ».</ref>}} si les oscillations se maintiennent pendant une « durée suffisamment grande devant la période » <ref name="durée grande devant période"> Il est souhaitable de pouvoir observer, sans amortissement notable, au moins une cinquantaine d’oscillations.</ref> ; {{Al|5}}nous pouvons utiliser le [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]], schématisé ci-contre, composé des pièces suivantes : * une tige cylindrique, de C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> <math>\,G_t</math>, de masse <math>\,m_t</math>, de longueur <math>\,\mathit{l}_t\,</math> et de rayon <math>\,R_t</math>, pouvant être fixée en <math>\,O\,</math> sur un axe horizontal de rotation <math>\,\big(</math>l’axe du potentiomètre décrit ci-après<math>\big)</math>, * un cylindre métallique, de C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G_c</math>, de masse <math>\,m_c</math>, de longueur <math>\,\mathit{l}_c</math>, de rayon extérieur <math>\,R_2\,</math> et de rayon intérieur <math>\,R_1</math>, dont l'axe est confondu avec l'axe de la tige et que nous pouvons déplacer sur cette dernière pour modifier la position du C.D.I. <ref name="C.D.I." /> global et du moment d’inertie du pendule relativement à l’axe de rotation, * un potentiomètre bobiné <math>\,10\,</math> tours de <math>\,10\; k \Omega</math> <math>\,\big(</math>voir ci-dessous à gauche<math>\big)</math>, d’axe servant d’axe de rotation au pendule ; <br>{{Al|3}}le potentiomètre est alimenté symétriquement à l'aide d'une A.S. <ref name="A.S."> Alimentation Stabilisée <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_(PCSI)/Circuits_électriques_dans_l'ARQS_:_dipôles_linéaires#Notion_d'alimentation_stabilisée_(A.S.)|notion d'alimentation stabilisée (A.S.)]] » du chap.<math>22</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_(PCSI)|Signaux physiques (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> entre <math>\,+12\; V\,</math> et <math>\,-12\; V</math>, la position angulaire du pendule étant alors <math>\,\propto\,</math> à la tension «<math>\;u(t)\;</math>» entre le curseur du potentiomètre et la masse de l’alimentation ; <br>{{Al|3}}lorsque le pendule est au repos, le curseur est placé approximativement à mi-course et le support du potentiomètre est tourné de manière à obtenir une tension à l’équilibre «<math>\;u_{\text{éq}}\;</math>» inférieure à <math>\,10\; mV\;</math><ref name="réglage du zéro"> De façon à ce que nous puissions assimiler la valeur de <math>\,u_{\text{éq}}\,</math> à <math>\,0</math>.</ref>, l’échelle de tension est alors de {{Nobr|«<math>\;300\; mV\,</math>}} pour <math>\,45\; \text{°}\;</math>» <math>\,\Big\{</math>en effet <math>\,24\; V\,</math> aux bornes des <math>\,10\,</math> tours de potentiomètre donne <math>\,2,4\; V\,</math> par tour et <math>\,0,3\; V\,</math> pour <math>\,\dfrac{1}{8}\,</math> de tour correspondant à une élongation angulaire de <math>\,\dfrac{\pi}{4}\;rad = 45\;\text{°}\Big\}</math> ; [[File:Centrale-d'acquisition-sysam-sp5.jpg|thumb|330px|Centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 pilotée par interface [[w:Python_(langage)|python]]]] [[File:Potentiomètre 10-tours 10k.png|thumb|450px|left|Exemple de potentiomètre <math>\,10\,</math> tours de <math>\,10\;k \Omega</math>]] {{Al|5}}l'acquisition de la tension peut être faite avec la « centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 » <math>\,\big(</math>ci-contre à droite<math>\big)\,</math> pilotée par interface « [[w:Python_(langage)|python]] », voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Utilisation_de_la_centrale_de_conversion_Eurosmart_SysamSP5_pilotée_par_l’interface_python|utilisation de la centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 pilotée par l'interface python]] » plus bas dans ce chapitre. {{Al|5}}<u>Remarque</u> : on pourrait utiliser une autre interface mais le potentiomètre devrait être adapté, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}par exemple pour l’interface « Orphy-GTI » avec sa prise <math>\,F\;</math><ref name="interface Orphy-GTI"> Voir la photo du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Utilisation_de_l’interface_«_ORPHY-GTI_»_associée_au_logiciel_«_Regressi_»|utilisation de l'interface “ORPHY-GTI” associée au logiciel “Regressi”]] » plus loin dans ce chapitre.</ref>, utiliser un potentiomètre monotour de <math>\,10\; k \Omega\;</math><ref name="potentiomètre monotour"> Voir un exemple de potentiomètre monotour <math>\,10\; k \Omega\,</math> dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Utilisation_de_l’interface_«_ORPHY-GTI_»_associée_au_logiciel_«_Regressi_»|utilisation de l'interface “ORPHY-GTI” associée au logiciel “Regressi”]] » plus loin dans le chapitre.</ref> en mettant en série avec lui deux autres conducteurs ohmiques additionnels de même résistance de <math>\,10\; k \Omega</math>, « la tension appliquée au potentiomètre étant alors de <math>\,8\; V\,</math>» <ref name="utilisation d'un potentiomètre monotour"> En effet <math>\,24\; V\,</math> aux bornes de <math>\,3\,</math> fois <math>\,10\; k \Omega\,</math> en montage potentiométrique donne <math>\,\big(</math>en sortie ouverte<math>\big)</math> <math>\,8\; V\,</math> aux bornes du potentiomètre, soit <math>\,8\; V\,</math> pour un tour et <math>\,1\; V\,</math> pour <math>\,\dfrac{1}{8}\,</math> de tour correspondant à une élongation angulaire de <math>\,\dfrac{\pi}{4}\;rad = 45\;\text{°}</math>.</ref>, l’échelle de tension est de «<math>\;1\; V\,</math> pour {{Nobr|<math>\;45\; \text{°}\;</math>» <ref name="utilisation d'un potentiomètre monotour" />,}} l’interface « Orphy-GTI » étant reliée à l’ordinateur par la prise « série <math>\,COM2\;</math>», voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Utilisation_de_l’interface_«_ORPHY-GTI_»_associée_au_logiciel_«_Regressi_»|utilisation de l'interface “ORPHY-GTI” associée au logiciel “Regressi”]] » plus loin dans le chapitre. <br><br> === Utilisation de la centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 pilotée par l’interface python === {{Al|5}}On réalise une acquisition de la tension <math>\,u(t)\,</math> avec une période d’échantillonnage de <math>\,10\; ms\,</math> et pendant une durée de <math>\,70\; s\;</math><ref name="acquisition d'une grandeur et utilisation par interface python"> L'acquisition de la grandeur par la centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 nécessite le chargement dans [[w:Python_(langage)|python]] du module « pycanum.main » <math>\,\big[</math>pour l'obtention et l'installation de ce dernier voir « http://www.f-legrand.fr/scidoc/docmml/sciphys/caneurosmart/interpy/interpy.html »<math>\big]</math>.</ref> <math>\,\big(</math>correspondant donc à <math>\,7000\,</math> valeurs captées <math>\Rightarrow</math> la durée d’acquisition est suffisamment grande pour observer un retour à l’équilibre du pendule<math>\big)\;</math><ref name="article original pour utilisation de la centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 pilotée par python"> Article original à l'adresse « http://www.f-legrand.fr/scidoc/docmml/sciphys/meca/exppendule/exppendule.html ».</ref>, le code [[w:Python_(langage)#Syntaxe|python]] permettant de faire l'acquisition est le suivant : import pycanum.main as pycan <br>import matplotlib.pyplot as plt <br> <br>import numpy <br>import math <br> <br>sys = pycan.Sysam("SP5") <ref> Des explications plus approfondies sur l'utilisation de ce module peuvent être trouvées à l'adresse « https://www.f-legrand.fr/scidoc/docmml/sciphys/caneurosmart/interpy/interpy.html ».</ref> <br>sys.config_entrees([0],[1]) <br>te=1e-2 # période d'échantillonnage <br>ne=7000 # nombre d'échantillons <br>duree=te*ne <br>sys.config_echantillon(te*10**6,ne) {{Al|10}}# période d'échantillonnage en µs <br>sys.acquerir() <br>t=sys.temps() <br>u=sys.entrees() <br>echelle = 0.6/(math.pi/2) {{Al|27}}# conversion tension->angle <br>angle=u[0]/echelle <br>temps=t[0] <br>numpy.savetxt("pendule-6.txt",[temps,angle]) <br>sys.fermer() <br>plt.figure(figsize=(18,6)) {{Al|27}}# taille en pouces 18,6 inch = 47,2 cm <br> <br>plt.plot(temps,angle) <br>plt.xlabel("t (s)") <br>plt.ylabel("theta (rad)") <br>plt.axis([0,duree,-math.pi/2,math.pi/2]) <br>plt.show() <ref> Visualise le diagramme horaire de position angulaire du P.P. mais celui-ci n'est pas représenté car ce dernier est observable plus loin avec une grille de fond.</ref> [[File:Pendule pesant amorti - diagramme horaire de position angulaire.png|thumb|450px|Diagramme horaire de position angulaire d'un P.P.A. <ref name="P.P.A."> Pendule Pesant Amorti.</ref> écarté de sa position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable"> Correspondant à <math>\,G\,</math> sur la verticale de <math>\,O\,</math> et au-dessous.</ref> et lâché sans vitesse initiale, obtenu par centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 pilotée par l’interface [[w:Python_(langage)|python]]]] [[File:Pendule pesant amorti - diagramme horaire de vitesse angulaire bruité.png|thumb|450px|Diagramme horaire de vitesse angulaire d'un P.P.A. <ref name="P.P.A." /> écarté de sa position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable" /> et lâché sans vitesse initiale, obtenu par filtre dérivateur du signal échantillonné bruité acquis par centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 pilotée par l’interface [[w:Python_(langage)|python]]]] <br>{{Al|5}}puis on trace le diagramme horaire de l’élongation angulaire <ref name="tracé d'une courbe par interface python"> Le tracé d'une courbe nécessite le chargement du module « pyplot » de la bibliothèque « [[w:Matplotlib|mathplotlib]] » dans [[w:Python_(langage)|python]], il est aussi nécessaire de faire le chargement des modules « numpy » <math>\,\big[</math>pour faire du calcul scientifique voir « [[w:Numpy|numpy]] »<math>\big]</math>, « scipy » <math>\,\big[</math>unifie des bibliothèques de [[w:Python_(langage)|python]], utilise entre autres les tableaux et matrices du module [[w:Numpy|numpy]] voir « [[w:Scipy|scipy]] »<math>\big]\,</math> et « math » <math>\,\big[</math>permettant d'utiliser les fonctions élémentaires comme cosinus, sinus, racine carrée et d'autres ainsi que la valeur de <math>\pi\big]</math>.</ref>, le code [[w:Python_(langage)#Syntaxe|python]] pour obtenir le tracé ci-contre est ci-dessous from matplotlib.pyplot import * {{Al|10}}# importe tous les noms du module sauf ceux commençant par "_" <br>import numpy as np <br>import math <br>import scipy.signal <br> <br>[temps,angle] = np.loadtxt("pendule-6.txt") <br>figure(figsize=(10,6)) {{Al|24}}# taille en pouces 10,6 inch = 26,9 cm <br>plot(temps,angle) <br>xlabel("t (s)") <br>ylabel("theta (rad") <br>axis([0,70,-2,2]) <br>grid() {{Al|48}}# ajoute une grille de fond sur la figure <br>{{Al|5}}ensuite l'objectif est d'en déduire le diagramme horaire de vitesse angulaire du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> par dérivation du signal échantillonné, ce qui se fait par simulation de filtre dérivateur «<math>\;x \mapsto y\;\text{:}\;y_n = \dfrac{x_n - x_{n - 1}}{T_e}\;</math>» avec «<math>\;T_e\,</math> la période d’échantillonnage » mais le signal obtenu étant « très bruité » <ref name="rôle d'un filtre dérivateur sur le bruit"> Le filtre dérivateur accentuant le bruit du signal d’entrée.</ref> il faudrait effectuer une simulation de filtre passe-bas <ref name="but d'un filtre passe-bas"> Le signal échantillonné pouvant être reconstitué à l'aide des 1^ers harmoniques et le bruit étant essentiellement de haute fréquence, un filtre passe-bas permet donc de l'éliminer sans pour autant altérer le signal échantillonné.</ref> avant de dériver, le code [[w:Python_(langage)#Syntaxe|python]] pour dériver puis tracer le diagramme horaire de vitesse angulaire sans élimination préalable du bruit est ci-dessous avec le tracé ci-contre <br>a=[te] {{Al|34}}# dénominateur du quotient définissant le filtre dérivateur <br>b=[1,-1] {{Al|31}}# le 1^er et 2^nd cœfficients de la somme du numérateur du quotient définissant le filtre dérivateur <br>omega = scipy.signal.lfilter(b,a,angle) <br>figure(figsize=(10,6)) {{Al|10}}# taille en pouces 10,6 inch = 26,9 cm <br>plot(temps,omega) <br>xlabel("t (s)") <br>ylabel("omega (rad/s") <br>axis([0,70,-10,10]) <br>grid() {{Al|34}}# ajoute une grille de fond sur la figure <br>{{Al|5}}on y voit nettement la nécessité de filtrer le signal échantillonné avant de dériver, ce qu'on va exposer ci-dessous : {{Al|5}}on réalise donc une simulation de filtre passe-bas en utilisant un « [[w:Filtre_à_réponse_impulsionnelle_finie|filtre à R.I.F.]] <ref name="R.I.F."> Réponse Impulsionnelle Finie.</ref> » qui est basée sur une réponse C.L. <ref name="C.L."> Combinaison Linéaire.</ref> d’un nombre fini de valeurs du signal d’entrée selon «<math>\;y_n = \!\!\sum\limits_{k\, \in\, \left[\left[ -P \,,\, P \right]\right]} b_k\; x_{n - k}\;</math>», les <math>\,2\;P + 1\,</math> cœfficients «<math>\;b_k\;</math>» étant des constantes réelles « définissant le filtrage » <ref> Par exemple <math>\,b_0 = 1\,</math> et <math>\,b_k = 0\;\;\forall\, k\,\in\,\left[\left[ -P \,,\, P \right]\right] \backslash \left\lbrace 0 \right\rbrace\,</math> définit un passe-tout <math>\;\ldots</math> <br>{{Al|3}}toutefois une étude plus détaillée étant hors programme de physique de P.C.S.I. nous traiterons la suite en « boîte noire » en précisant simplement le rang <math>\,P\,</math> de la troncature de la [[w:Réponse_impulsionnelle|réponse impulsionnelle]] ainsi que la fréquence de coupure <math>\,f_c\,</math> du filtre passe-bas simulé relativement à la fréquence d'échantillonnage <math>\,f_e</math> <math>\,\big[</math>ici égale à <math>\,100\;Hz\big]</math> <math>\;\ldots</math></ref>{{,}} <ref> Un filtre passe-bas est aisément simulé par un « [[w:Filtre_à_réponse_impulsionnelle_finie|filtre à R.I.F.]] <math>\,\big(</math>filtre à réponse impulsionnelle finie<math>\big)\,</math>» dans la mesure où la fréquence du signal <math>\,f</math> <math>\,\big[</math>ici de l'ordre de <math>\,1\;Hz\big]\,</math> est petite devant la fréquence d'échantillonnage <math>\,f_e</math> <math>\,\big[</math>ici égale à <math>\,100\;Hz\big]</math> ; <br>{{Al|3}}l'inconvénient de l'utilisation d'un « [[w:Filtre_à_réponse_impulsionnelle_finie|filtre à R.I.F.]] <math>\,\big(</math>filtre à réponse impulsionnelle finie<math>\big)\;</math>» est que cette méthode élimine les <math>\,P\,</math> 1^ers points ainsi que les <math>\,P\,</math> derniers, ce qui nécessite que <math>\,P\,</math> soit petit devant le nombre total <math>\,n_e\,</math> de points, <math>\,P\,</math> devant être aussi suffisamment grand pour que le filtre passe-bas simulé soit sélectif <math>\,\big\{n_e\,</math> étant égal à <math>\,7000</math>, choisir <math>\,P\,</math> de l'ordre de <math>\,10\,</math> ou plus devrait {{Nobr|convenir<math>\big\}</math>.}}</ref>, le code [[w:Python_(langage)#Syntaxe|python]] pour réaliser ce filtrage passe-bas étant ci-dessous avec le tracé ci-contre du diagramme horaire de position filtrée en rouge superposé à celui du diagramme horaire de position bruitée en bleu sur l'intervalle <math>\,\left[ 50\;s\;;\;60\;s \right]</math> : [[File:Pendule pesant amorti - diagramme horaire de position angulaire - bis.png|thumb|450px|Superposition des diagrammes horaires de position angulaire bruitée (en bleu) et filtrée (en rouge) d'un P.P.A. <ref name="P.P.A." /> écarté de sa position d'équilibre {{Nobr|stable <ref name="équilibre stable" />}} et lâché sans vitesse initiale, obtenu par centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 pilotée par l’interface [[w:Python_(langage)|python]], les tracés étant localisés vers la fin des oscillations]] <br>P=20 {{Al|14}}# un rang de troncature de P = 20 petit devant ne = 7000 mais suffisamment grand pour que le filtre soit sélectif <ref> Pour obtenir la k^ème position filtrée on utilise <math>\,2\;P + 1 = 41\,</math> valeurs de son voisinage.</ref> <br>fc=0.05 {{Al|10}}# une fréquence de coupure de 0,05 Hz suffisamment petite pour éliminer le maximum de bruit sans altérer le signal <br> <br>h = scipy.signal.firwin(numtaps=2*P+1,cutoff=[fc],nyq=0.5,window='hamming') {{Al|10}}# utilise le module « [[w:Filtre_à_réponse_impulsionnelle_finie|filtre à R.I.F.]] <ref name="R.I.F." /> » <ref name="paramètres du module scipy.signal.firwin"> Le 1^er paramètre du module « scipy.signal.firwin » est le nombre de cœfficients de la C.L. définissant le filtre, <br>{{Al|3}}le 2^nd {{Transparent|paramètre du module « scipy.signal.firwin » est }}la fréquence de coupure <math>\,\big\{</math>encadrée ou non par des crochets<math>\big\}</math>, <br>{{Al|3}}le 3^ème <math>\,\big(</math>optionnel<math>\big)\,</math> {{Al|1}}{{Transparent|paramètre du module « scipy » }} la [[w:Fréquence_de_Nyquist|fréquence Nyquist]] <math>\,\big[</math>c.-à-d. la fréquence maximale que doit contenir un signal pour permettre sa description non ambigüe par un échantillonnage à intervalles réguliers<math>\big]\,</math> et <br>{{Al|3}}le 4^ème {{Al|3}}{{Transparent|paramètre du module « scipy.signal.firwin » }}la [[w:Fenêtrage|fenêtre]] utilisée {{Nobr|<math>\,\bigg[</math>c.-à-d.}} la fonction par laquelle le signal observé est multiplié pour le limiter sur une durée finie, on utilise ici une fenêtre de Hamming d'équation <math>\,h(t) = \left\lbrace \begin{array}{l} 0,54 - 0,46\;\cos\! \left( 2\;\pi\;\dfrac{t}{T} \right) & \text{ si } t\, \in\, \left[0 \,,\,T \right] \\ 0 & \text{ sinon} \end{array}\right.\bigg]</math> ; <br>{{Al|3}}'''[[w:Harry_Nyquist|Harry Nyquist]] (1889 - 1976)''' physicien d'origine suédoise ayant pris la nationalité américaine (étatsunienne), l'un des principaux contributeurs de la [[w:Théorie_de_l'information|théorie de l'information]] et de l'[[w:Automatique|automatique]], on lui doit le [[w:Diagramme_de_Nyquist|diagramme de Nyquist]] ainsi que le [[w:Théorème_d'échantillonnage|théorème d'échantillonnage de Nyquist-Shannon]] ;<br>{{Al|3}}'''[[w:Claude_Shannon|Claude Elwood Shannon]] (1916 - 2001)''' ingénieur en génie électrique et mathématicien américain, considéré comme l'un des fondateurs de la [[w:Théorie_de_l'information|théorie de l'information]] ; <br>{{Al|3}}'''[[w:Richard_Hamming|Richard Wesley Hamming]] (1915 - 1998)''' mathématicien américain à qui on doit les [[w:Code_de_Hamming|codes de Hamming]] permettant la détection et la correction automatique d'une erreur si elle ne porte que sur une lettre du message ainsi que la [[w:Distance_de_Hamming|distance de Hamming]] qui joue un rôle important en théorie algébrique des codes correcteurs <math>\,\big(</math>sur deux suites de symboles de même longueur, elle associe le nombre de positions où les deux suites diffèrent<math>\big)</math>.</ref> <br>y = scipy.signal.convolve(angle,h,mode='valid') {{Al|59}}# réalise le filtrage par [[w:Produit_de_convolution|convolution]] <ref name="produit de convolution"> Le produit de convolution de deux suites réelles <math>\,\big(</math>ou complexes<math>\big)</math> <math>\,u_p,\;\;p\;\in\;\mathbb{Z}\,</math> et <math>\,v_q,\;\;q\;\in\;\mathbb{Z}</math>, est une autre suite, qui se note généralement «<math>\;(u * v)_n,\;\;n\;\in\;\mathbb{Z}\;</math>» et qui est définie par <center><math>\,\left( u * v \right)_n = \sum\limits_{m = -\infty}^{+\infty} u_{n - m} \times v_m = \sum\limits_{m = -\infty}^{+\infty} u_m \times v_{n - m}</math> ;</center> {{Al|3}}le produit de convolution de deux fonctions réelles <math>\,\big(</math>ou complexes<math>\big)\,</math> d'une variable réelle <math>\,\big(</math>ou complexe<math>\big)</math> <math>\,f\,</math> et <math>\,g</math>, est une autre fonction, qui se note généralement «<math>\;f * g\;</math>» et qui est définie par <center><math>\;\left( f * g \right)(x) = \displaystyle\int_{-\infty}^{+\infty} f\! \left( x - t \right) \;g(t) \; dt = \displaystyle\int_{-\infty}^{+\infty} f(t) \;g\! \left( x - t \right) \; dt</math> <br>voir les « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrales_généralisées_(ou_impropres)#Intégrale_généralisée_d'une_fonction_continue_par_morceaux_sur_un_intervalle_ouvert_dont_au_moins_une_des_bornes_est_infinie|intégrales généralisées d'une fonction continue par morceaux sur un intervalle ouvert dont au moins une des bornes est infinie]] » <br>du chap.<math>18</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</center></ref> du signal <br>{{Al|137}}θ par le filtre passe-bas simulé <br> <br>ny = y.size {{Al|31}}# définit le nombre de points de la liste « y » du signal filtré <br>ty = np.zeros(ny) {{Al|21}}# définit une liste « ty » contenant ny zéros <br>for k in range(ny): {{Al|20}}# remplace chaque zéro de la liste « ty » par l'instant … <br>{{Al|5}}ty[k] = P*te+te*k <ref> Le « [[w:Filtre_à_réponse_impulsionnelle_finie|filtre à R.I.F.]] » éliminant les les <math>\,P\,</math> 1^ers points ainsi que les <math>\,P\,</math> derniers, il faut calculer une nouvelle liste de temps avant d'effectuer le tracé, afin d'annuler le décalage entre le signal d'entrée et de sortie du filtre, cette liste débute donc à l'instant <math>\,P\;T_e</math>.</ref> {{Al|11}}# … correspondant à la valeur de même rang dans la liste « y » <br> <br>figure(figsize=(10,6)) {{Al|14}}# taille en pouces 10,6 inch = 26,9 cm <br>plot(temps,angle,"b") {{Al|14}}# tracé du diagramme horaire de position bruitée en bleu <br>plot(ty,y,"r") {{Al|29}}# tracé du diagramme horaire de position filtrée en rouge <br>xlabel("t (s)") <br>ylabel("theta (rad)") <br>axis([50,60,-0.3,0.3]) <br>grid() {{Al|38}}# ajoute une grille de fond sur la figure [[File:Pendule pesant amorti - diagramme horaire de vitesse angulaire sans bruit.png|thumb|450px|Diagramme horaire de vitesse angulaire d'un P.P.A. <ref name="P.P.A." /> écarté de sa position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable" /> et lâché sans vitesse initiale, obtenu par filtre dérivateur du signal échantillonné acquis par centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 pilotée par l’interface [[w:Python_(langage)|python]] puis débarrassé du bruit par filtrage passe-bas]] <br>{{Al|5}}ensuite on obtient le diagramme horaire de vitesse angulaire du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> par dérivation du signal échantillonné filtré, ce qui se fait par simulation de filtre dérivateur «<math>\;x \mapsto y\;\text{:}\;y_n = \dfrac{x_n - x_{n - 1}}{T_e}\;</math>» avec «<math>\;T_e\,</math> la période d’échantillonnage », le code [[w:Python_(langage)#Syntaxe|python]]n pour dériver le signal échantillonné débarrassé du bruit puis tracer le diagramme horaire de vitesse angulaire correspondant est ci-dessous avec le tracé ci-contre a=[te] {{Al|34}}# dénominateur du quotient définissant le filtre dérivateur <br>b=[1,-1] {{Al|31}}# le 1^er et 2^nd cœfficients de la somme du numérateur du quotient définissant le filtre dérivateur <br>omega = scipy.signal.lfilter(b,a,y) <br>figure(figsize=(10,6)) {{Al|10}}# taille en pouces 10,6 inch = 26,9 cm <br>plot(ty,omega) <br>xlabel("t (s)") <br>ylabel("omega (rad/s)") <br>axis([0,70,-10,10]) <br>grid() {{Al|34}}# ajoute une grille de fond sur la figure {{clr}} [[File:Pendule pesant amorti - portrait de phase avec élimination du bruit.png|thumb|450px|[[w:Portrait_de_phase|Pportrait de phase]] d'un P.P.A. <ref name="P.P.A." /> écarté de sa position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable" /> et lâché sans vitesse initiale, obtenu par centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 pilotée par l’interface [[w:Python_(langage)|python]], avec élimination du bruit sur l'élongation angulaire par filtrage passe-bas et obtention de la vitesse angulaire par filtrage dérivateur]] {{Al|5}}enfin souhaitant tracer le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à partir de son point de lancement, on élimine les 1^ères valeurs des listes de temps «<math>\;ty\;</math>», de positions angulaires «<math>\;y\;</math>» et de vitesses angulaires «<math>\;\text{omega}\;</math>» susceptibles de correspondre à un enregistrement antérieur au lancement <math>\,\big(</math>celle de vitesses angulaires étant divisée par <math>\,2\;\pi\,</math> de façon à ce que ces dernières soient exprimées en <math>\,\text{tour} \cdot s^{-1}\big)</math>, le code [[w:Python_(langage)#Syntaxe|python]] pour ces transformations et le tracé du [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est ci-dessous avec le tracé ci-contre debut = int(1.0/te) {{Al|30}}# retourne un entier à partir de 1.0/te <br>y = np.delete(y,range(debut)) {{Al|12}}# supprime les éléments de la liste « y » de rang dans l'intervalle [ 0, int(1.0/te) [ des entiers <br>{{Al|62}}naturels <br>ty = np.delete(ty,range(debut)) {{Al|10}}# supprime les éléments de la liste « ty » de rang dans l'intervalle [ 0, int(1.0/te) [ des entiers <br>{{Al|62}}naturels <br>omega = np.delete(omega,range(debut))/(2*math.pi) {{Al|10}}# supprime les éléments de la liste « omega » de rang dans l'intervalle <br>{{Al|97}} [ 0, int(1.0/te) [ des entiers naturels puis divise par 2*π <br>figure(figsize=(6,6)) {{Al|27}}# taille en pouces 6,6 inch = 16,7 cm <br>plot(y,omega) <br>axis([-math.pi/2,math.pi/2,-math.pi/2,math.pi/2]) <br>xlabel("theta") <br>ylabel("omega") <br>grid() {{Al|50}}# ajoute une grille de fond sur la figure <br>{{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut aisément imaginer les allures des différents diagrammes et [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] d'un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à partir de celles du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> obtenues ci-dessus, l'absence d'amortissement se manifestant par une amplitude de l'élongation angulaire et de la vitesse angulaire constante et par un [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] fermé sur lui-même <math>\;\ldots</math> === Utilisation de l’interface « ORPHY-GTI » associée au logiciel « Regressi » === [[File:Potentiomètre-monotour-10k - bis.png|thumb|230px|Exemple de potentiomètre monotour de <math>\;10\;k \Omega</math>]] {{Al|5}}Le programme de physique de P.C.S.I. impose d’obtenir le diagramme horaire d’élongation angulaire, la variation de la période avec l’amplitude et d’étudier les frottements solide puis fluide d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] « sans aborder le tracé du [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] » en utilisant le logiciel « Regressi » <ref name="Regressi"> Le logiciel peut être téléchargé gratuitement à l'adresse « http://regressi.fr/WordPress/download/ », son utilisation peut être facilitée grâce aux quelques lignes trouvées à l'adresse suivante « https://physique.ensc-rennes.fr/pdf/1annee/notice_resume_regressi.pdf » <math>\;\ldots</math></ref>{{,}} <ref> Toutefois le calcul par « Regressi » de la vitesse angulaire à partir de l’élongation angulaire ne présentant aucune difficulté, le tracé du [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] en découle facilement.</ref> ; ci-après est proposée [[File:Interface orphy-gti.jpg|thumb|left|350px|Interface ORPHY-GTI à associer au logiciel Regressi]] {{Al|5}}une 1^ère manipulation avec utilisation de l’interface « ORPHY-GTI » <math>\;\big(</math>voir ci-contre à gauche<math>\big)\;</math> associée au logiciel « Regressi » <ref name="Regressi" /> <math>\;\big[</math>on peut utiliser le dispositif du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant#Description_du_dispositif_expérimental|description du dispositif expérimental]] (remarque) » présenté plus haut dans ce chapitre, le potentiomètre utilisé devant être monotour <math>\;\big(</math>comme celui représenté ci-contre à droite<math>\big)\;</math> et le pendule étant du type « Pendulor » comme sur la photo ci-dessous à gauche <math>\;\big(</math>dans lequel on remarque un cylindre de plastique situé au-delà de <math>\;\Delta_O\;</math> permettant d'y fixer une plaque créant des frottements fluides<math>\big)\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|une 1^ère manipulation }}peut être visualisée à l'adresse « http://www.sciences.univ-nantes.fr/sites/jacques_charrier/tp/pendulor/index.html », nous n'en dirons rien de plus, les lecteurs intéressés pouvant aisément s'y référer <math>\;\big\{</math>il y est possible de visualiser les différentes étapes sans que le lancement d'une acquisition ne soit nécessaire <ref> Qui évidemment s'avérerait impossible sans matériel !</ref> mais en cliquant simplement sur les différents liens successifs<math>\}</math> <math>\;\ldots</math> <br> <br> <br> === Autre utilisation de la centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 associée aux logiciels « Synchronie 2003 » et « Regressi » === [[File:Pendulor.jpg|thumb|left|350px|Photo du dispositif « Pendulor » pour étudier le mouvement d'un P.P.A. <ref name="P.P.A." />]] {{Al|5}}Dans ce paragraphe est proposée une 2^nde manipulation utilisant la centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 <math>\,\big[</math>on peut utiliser le dispositif du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant#Description_du_dispositif_expérimental|description du dispositif expérimental]] » présenté plus haut dans ce chapitre, le potentiomètre utilisé devant être monotour <math>\,\big(</math>comme celui représenté dans le paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Utilisation_de_l'interface_«_ORPHY-GTI_»_associée_au_logiciel_«_Regressi_»|précédent]] ci-dessus à droite<math>\big)\,</math> et le pendule étant du type « Pendulor » comme sur la photo ci-contre à gauche <math>\,\big(</math>dans lequel on remarque un cylindre de plastique situé au-delà de <math>\,\Delta_O\,</math> permettant d'y fixer une plaque créant des frottements fluides, les éventuels frottements solides se manifestant au niveau de l'axe de rotation<math>\;\Delta_O\big)\big]</math>, la centrale Eurosmart SysamSP5 étant maintenant pilotée par « Synchronie 2003 » <ref name="Synchronie 2003"> Le logiciel « Synchronie 2003 », distribué par la société Eurosmart, est un logiciel d'acquisition et de traitement du signal, il a été remplacé en 2005 par le logiciel « Latis-pro » ; pour plus d’informations voir le site internet d’Eurosmart « http://www.eurosmart.fr/ ».</ref>{{,}} <ref name="article original pour utilisation de la centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 pilotée par Synchronie 2003"> On peut trouver l'article original sous forme de fichier « .doc » à l'adresse « http://bluestorm.dylc.free.fr/llg/tps2/tpp5-shu.doc », l'auteur « Claude Lebrun » proposant une étude beaucoup plus détaillée que celle que j'ai sélectionnée <math>\;\ldots</math></ref> et les calculs ainsi que les tracés effectués par le logiciel « Regressi » <ref name="Regressi" />. {{Al|5}}<math>\;\succ\;</math>Paramétrage du logiciel « Synchronie 2003 » <ref name="Synchronie 2003" /> et réglage du zéro <ref name ="réglage de Synchronie 2003"> Voir le fichier « http://www.scientillula.net/MPI/fr4_synchronie/fr4_synchron.html » pour régler les paramètres d'acquisition de « Synchronie 2003 ».</ref> : l'acquisition de la tension <math>\,u(t)\,</math> sera faite avec une période d’échantillonnage de <math>\,2,5\; ms\,</math> et pendant une durée de <math>\,2,5\; s</math> {{Nobr|<math>\,\big(</math>il}} y aura donc <math>\,1000\,</math> valeurs captées<math>\big)</math> <math>\,\big[</math>pour les acquisitions de la tension avec prise en compte des frottements solide ou fluide, la durée d'enregistrement sera augmentée à <math>\,12\; s\,</math> avec la même période d'échantillonnage, ce qui correspondra à <math>\,4800\,</math> valeurs captées, ceci dans le but de visualiser l'amortissement<math>\big]</math> ; le réglage du zéro est celui qui a été exposé dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant#Description_du_dispositif_expérimental|description du dispositif expérimental]] (on tourne le support du potentiomètre de façon à ce que la tension captée quand le pendule est à l'équilibre soit inférieure à 10 mV) <ref name="réglage du zéro" /> » plus haut dans ce chapitre et on vérifie, en lançant une acquisition de tension lorsque que le pendule est maintenu avec une élongation de <math>\,\dfrac{\pi}{2}\;rad = 90\,\text{°}</math> <math>\,\big(</math>on trouve <math>\,V1 \simeq 6,0\;V\big)\;</math><ref> On adaptera <math>\,V1\,</math> à la valeur effectivement trouvée.</ref>, l'échelle de correspondance «<math>\;3,00\; V\,</math> pour <math>\,45\; \text{°}\;</math>» <math>\,\Big\{</math>en effet <math>\,24\; V\,</math> pour un tour de potentiomètre donne <math>\,3\; V\,</math> pour <math>\,\dfrac{1}{8}\,</math> de tour correspondant à une élongation angulaire de <math>\,\dfrac{\pi}{4}\;rad = 45\;\text{°}\Big\}</math>. {{Al|5}}<math>\;\succ\;</math>Enregistrements des oscillations et sauvegarde de ces derniers : on lance successivement <math>\,2\,</math> acquisitions après avoir écarté le [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] de sa position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable" /> et l'avoir lâché sans vitesse initiale * la 1^ère correspondant à une grande amplitude <math>\,\big(</math>voisine de <math>\,60\;\text{°}\big)\,</math> avec frottements négligeables sur la durée de l'expérience <math>\,2,5\;s\,</math> et * la 2^nde {{Transparent|correspondant}}à une grande amplitude <math>\,\big(</math>voisine de <math>\,60\;\text{°}\big)\,</math> avec frottements solide et fluide non négligeables sur la durée de l'expérience {{Nobr|<math>\,12\;s</math>,}} puis {{Al|5}}<math>\;\color{transparent}{\succ}\;</math>{{Transparent|Enregistrements des oscillations et sauvegarde de ces derniers : }}on sauvegarde chaque enregistrement dans un fichier différent au format « .txt » en précisant les variables «<math>\;T\;</math>» <ref> « Synchronie 2003 » utilisant une majuscule pour la variable « temps » cela peut créer une confusion pour les mouvements périodiques mais il ne semble pas possible de faire le changement en restant dans le logiciel.</ref> et «<math>\;EAO\;</math>» <math>\,\big(</math>c.-à-d. la tension associée à l'élongation angulaire<math>\big)</math>. {{Al|5}}<math>\;\succ\;</math>Tracé des diagrammes horaires des positions angulaires à l'aide de « Regressi » <ref name="Regressi" /> : on peut alors ouvrir chaque fichier à l'aide de {{Nobr|« Regressi » <ref name="Regressi" />,}} on obtient un tableau donnant «<math>\;T\;</math>» et «<math>\;EAO\;</math>», on modifie alors «<math>\;T\;</math>» en «<math>\;t\;</math>» <ref> Pour que cesse une confusion possible avec la période des oscillations.</ref> et on crée la nouvelle variable «<math>\;\theta\;</math>» à partir <br>{{Al|98}}de «<math>\;EAO\;</math>» selon «<math>\;\theta = EAO \times \dfrac{90}{V1}\;</math>» <math>\,\big(\theta\;</math> étant l'élongation angulaire du pendule exprimée en <math>\,\text{°}\big)\;</math><ref> En effet la tension <math>\,V1\,</math> correspond à l'élongation angulaire <math>\,90\;\text{°}\,</math> d'où la formule <math>\;\ldots</math></ref> puis on enregistre chaque fichier modifié <br>{{Al|98}}au format « .rw3 ». [[File:Pendule pesant non amorti - diagramme horaire de position angulaire.png|thumb|450px|Diagramme horaire de position angulaire d'un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." />{{,}} <ref name="rendre N.A. le P.P."> Pour rendre les frottements fluides négligeables, d'une part, on ne fixe aucune plaque sur le cylindre de plastique situé au-delà de <math>\,\Delta_O\,</math> du dispositif « Pendulor » et d'autre part, la durée d'acquisition reste inférieure à celle de deux oscillations, les frottements solides quant à eux sont négligées sur cette durée d'expérience si la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur l'axe reste libre <math>\,\big(</math>en lubrifiant par exemple<math>\big)</math> <math>\;\ldots</math></ref> écarté de sa position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable" /> et lâché sans vitesse initiale, l'acquisition ayant été faite par centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 associée aux logiciels « Synchronie 2003 » <ref name="Synchronie 2003" /> et « Regressi » <ref name="Regressi" />]] [[File:Pendule pesant non amorti - portrait de phase.png|thumb|450px|[[w:Portrait_de_phase|Portrait de phase]] d'un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." />{{,}} <ref name="rendre N.A. le P.P." /> écarté de sa position d'équilibre {{Nobr|stable <ref name="équilibre stable" />}} et lâché sans vitesse initiale, l'acquisition ayant été faite par centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 associée aux logiciels « Synchronie {{Nobr|2003 » <ref name="Synchronie 2003" />}} et « Regressi » <ref name="Regressi" />]] [[File:Pendule pesant amorti - diagramme horaire de position angulaire - ter.png|thumb|450px|Diagramme horaire de position angulaire d'un P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="rendre A. le P.P."> Pour rendre les frottements fluides notables, d'une part, on fixe une plaque sur le cylindre de plastique situé au-delà de <math>\,\Delta_O\,</math> du dispositif « Pendulor » et d'autre part, la durée d'acquisition doit correspondre à au moins une dizaine de pseudo-oscillations, les frottements solides quant à eux étant négligées sur cette durée d'expérience si la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur l'axe reste libre <math>\,\big(</math>en lubrifiant par exemple<math>\big)</math> et devenant notables si la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur l'axe est plus serrée <math>\;\ldots</math> <br>{{Al|3}}Dans la suite nous supposerons la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur l'axe suffisamment libre pour négliger les frottements solides.</ref> écarté de sa position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable" /> et lâché sans vitesse initiale, l'acquisition, sur une durée permettant d'observer le début des pseudo-oscillations, ayant été faite par centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 associée aux logiciels « Synchronie 2003 » <ref name="Synchronie 2003" /> et « Regressi » <ref name="Regressi" />]] * <u>Diagramme horaire de position angulaire du P.P.N.A.</u> <ref name="P.P.N.A." />{{,}} <ref name="rendre N.A. le P.P." /> : ayant écarté le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." />{{,}} <ref name="rendre N.A. le P.P." /> de <math>\,\theta_0 \simeq +\dfrac{\pi}{3}\;rad \simeq 60\;\text{°}\,</math> de sa position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable" /> et l'ayant lâché sans vitesse initiale, nous lançons l'acquisition à l'aide de « Synchronie 2003 » <ref name="Synchronie 2003" /> sur une durée de <math>\,2,5\;s\,</math> après avoir déterminé l'échelle de conversion des tensions en angles en mesurant <math>\,V1 = 6,06\;V\,</math> <math>\Rightarrow</math> {{Nobr|«<math>\;\theta = EAO \times \dfrac{90}{6,06} \simeq 14,85\;EAO\;</math>»}} <math>\,\big(\theta\,</math> étant en <math>\,\text{°}\,</math> et <math>\,EAO\,</math> en <math>\,V\big)</math>, enregistrons l'acquisition dans un fichier nommé « PPNA_t_theta.txt », l'ouvrons dans « Regressi » <ref name="Regressi" />, le transformons comme indiqué ci-dessus et sauvons le résultat dans un fichier nommé « PPNA_t_theta.rw3 », le diagramme horaire de position angulaire du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." />{{,}} <ref name="rendre N.A. le P.P." /> obtenu par « Regressi » <ref name="Regressi" /> étant présenté ci-contre : <br>{{Al|3}}on y détermine une période de «<math>\;\mathcal{T} \simeq 1,50\;s\;</math>» avec une amplitude «<math>\;\theta_m \simeq 69,2\;\text{°}\;</math>» et bien que le tracé semble, à 1^ère vue, sinusoïdal, on pourrait vérifier qu'il ne l'est pas tout en restant périodique <ref> Le caractère non sinusoïdal s'observant plus aisément sur la dérivée temporelle que sur la fonction, on peut calculer la vitesse angulaire à l'aide de « Regressi » <math>\,\big[</math>dans le menu « Grandeurs » du fichier, après avoir sélectionné « Tableau », cliquer sur « ajouter (une colonne) » puis sélectionner « dérivée » en renseignant tout ce qui est demandé, une fois la colonne de vitesse angulaire établie allez dans le menu « Graphe » du fichier, sélectionnez le tracé de la vitesse angulaire en fonction du temps, puis cliquez sur « Modèles <math>\rightarrow</math> Autres <math>\rightarrow</math> Oscillations <math>\rightarrow</math> Sinusoïde », vous verrez alors la différence entre le diagramme horaire de la vitesse angulaire du P.P.N.A. <math>\,\big(</math>dont les différents points successifs ne sont pas reliés<math>\big)\,</math> et une sinusoïde <math>\,\big(</math>correspondant au modèle<math>\big)\,</math> plus nettement que dans le cas de son diagramme horaire de position angulaire <math>\;\ldots\big]</math>.</ref>{{,}} <ref name="comparaison expérience - résolution numérique"> Une idée de la différence a été vue dans le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Résolution_numérique_de_l'équation_différentielle_d'un_P.P.S._dans_les_C.I._«_1a_»_avec_tracé_des_diagrammes_horaires_de_position,_de_vitesse_et_du_portrait_de_phase_correspondant|résolution numérique de l'équation différentielle d'un P.P.S. dans les C.I. “1a” avec tracé des diagrammes horaire de position, de vitesse et du portrait de phase correspondant]] » du chap.<math>12</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] », les résultats étant indépendants du caractère « simple » du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]], toutefois l'observation expérimentale est moins prononcée que celle résultant de la résolution numérique <math>\;\ldots</math></ref>. * <u>Diagramme horaire de vitesse angulaire du P.P.N.A.</u> <ref name="P.P.N.A." />{{,}} <ref name="rendre N.A. le P.P." /> : ouvrant le fichier « PPNA_t_theta.rw3 » dans « Regressi » <ref name="Regressi" /> correspondant à l'acquisition des positions angulaires du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." />{{,}} <ref name="rendre N.A. le P.P." /> écarté de <math>\,\theta_0 \simeq +\dfrac{\pi}{3}\;rad \simeq 60\;\text{°}\,</math> de sa position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable" /> et lâché sans vitesse initiale, nous évaluons la vitesse angulaire par « Regressi » <ref name="Regressi" /> selon le mode opératoire décrit ci-après « dans le menu “Grandeurs” du fichier, sélectionner “Tableau”, cliquer sur “ajouter (une colonne)” puis sélectionner “dérivée” en renseignant tout ce qui est demandé, une fois la colonne de vitesse angulaire établie aller dans le menu “Graphe” du fichier, sélectionner le tracé de la vitesse angulaire en fonction du temps, on visualise alors le diagramme horaire de vitesse angulaire <math>\,\big(</math>sans que les différents points successifs ne soient reliés<math>\big)</math>, terminer en faisant la sauvegarde du fichier sous le nom “PPNA_t_theta_omega.rw3” » <math>\,\big[</math>tracé non fourni, il est légèrement triangularisé avec une amplitude <math>\simeq 230\,\text{°} \cdot s^{-1}\big]</math>. * <u>[[w:Portrait_de_phase|Portrait de phase]] du P.P.N.A.</u> <ref name="P.P.N.A." />{{,}} <ref name="rendre N.A. le P.P." /> : à partir du fichier « PPNA_t_theta_omega.rw3 » ouvert dans « Regressi » <ref name="Regressi" /> correspondant à l'acquisition des positions angulaires du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." />{{,}} <ref name="rendre N.A. le P.P." /> écarté de <math>\,\theta_0 \simeq +\dfrac{\pi}{3}\;rad \simeq 60\;\text{°}\,</math> de sa position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable" /> et lâché sans vitesse initiale, à laquelle a été ajoutée l'évaluation de la vitesse angulaire correspondant aux différents instants de l'acquisition, on trace le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." />{{,}} <ref name="rendre N.A. le P.P." /> selon le mode opératoire suivant « dans le menu “Graphe” du fichier, sélectionner l'élongation angulaire comme abscisse et la vitesse angulaire comme ordonnée », on obtient alors le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] ci-contre ; même si le tracé obtenu semble, à 1^ère vue, une ellipse, on pourrait vérifier qu'il n'en est rien, le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] restant néanmoins fermé <ref name="comparaison expérience - résolution numérique" />, ceci étant caractéristique d'un mouvement périodique <math>\;\ldots</math> <br> * <u>Diagramme horaire de position angulaire du P.P.A.</u> <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="rendre A. le P.P." /> : ayant écarté le P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="rendre A. le P.P." /> de <math>\,\theta_0 \simeq 10\;\text{°} \simeq +\dfrac{\pi}{18}\;rad \;</math><ref name="raison d'une faible élongation angulaire initiale"> On diminue l'élongation angulaire initiale pour que le [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti <math>\,\big(</math>par frottements fluides<math>\big)\,</math> soit assimilable à un oscillateur harmonique amorti et que la pseudo-amplitude d'oscillation <math>\,\searrow\,</math> de façon exponentielle.</ref> de sa position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable" /> et l'ayant lâché sans vitesse initiale, nous lançons l'acquisition à l'aide de « Synchronie 2003 » <ref name="Synchronie 2003" /> sur une durée de <math>\,12\;s</math>, après avoir vérifié que l'échelle de conversion des tensions en angles reste inchangée en mesurant <math>\,V1 = 6,06\;V\,</math> <math>\Rightarrow</math> {{Nobr|«<math>\;\theta = EAO \times \dfrac{90}{6,06} \simeq 14,85\;EAO\;</math>»}} <math>\,\big(\theta\,</math> étant en <math>\,\text{°}\,</math> et <math>\,EAO\,</math> en <math>\,V\big)</math>, enregistrons l'acquisition dans un fichier nommé « PPA_t_theta.txt », l'ouvrons dans « Regressi » <ref name="Regressi" />, le transformons comme indiqué ci-dessus et sauvons le résultat dans un fichier nommé « PPA_t_theta.rw3 », le diagramme horaire de position angulaire du P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="rendre A. le P.P." /> obtenu par « Regressi » <ref name="Regressi" /> étant présenté ci-contre : <br>{{Al|3}}on y détermine une pseudo-période de «<math>\;\mathcal{T} \simeq 1,49\;s\;</math>» avec une amplitude de la 1^ère pseudo-oscillation «<math>\;\theta_{m,\,1} \simeq 10,1\;\text{°}\;</math>», la <math>\,\searrow\,</math> de la pseudo-amplitude étant exponentielle <ref> En fait pour vérifier qu'elle est effectivement exponentielle il faudrait <math>\,\nearrow\,</math> le nombre de pseudo-oscillations, n'observant que le début de la <math>\,\searrow\,</math> elle se confond avec une <math>\,\searrow\,</math> linéaire <math>\;\ldots</math></ref>{{,}} <ref> Il est aussi possible de vérifier la <math>\,\searrow\,</math> exponentielle de la pseudo-amplitude d'oscillation à l'aide de « Regressi », pour cela suivre le mode opératoire suivant : <br>{{Al|3}}le fichier « PPA_t_theta.rw3 » étant ouvert dans « Regressi », allez dans le menu « Graphe » du fichier, sélectionnez le tracé de l'élongation angulaire en fonction du temps, puis cliquez sur « Modèles <math>\rightarrow</math> Autres <math>\rightarrow</math> Oscillations <math>\rightarrow</math> Amorties (période) », vous observerez alors le tracé de l'amortissement exponentiel.</ref> on peut définir le décrément logarithmique <ref name="décrément logarithmique"> Voir la question « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Exercices/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_du_décrément_logarithmique_et_établissement_de_son_expression_en_fonction_du_facteur_de_qualité|définition du décrément logarithmique et établissement de son expression en fonction du facteur de qualité]] » de l'exercice « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Exercices/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Décrément_logarithmique_d'un_P.E.V.A._(pendule_élastique_vertical_amorti)_et_détermination_du_cœfficient_de_frottement_fluide_entre_le_solide_et_le_fluide_dans_lequel_le_premier_se_déplace|décrément logarithmique d'un P.E.V.A. et détermination du cœfficient de frottement fluide entre le solide et le fluide dans lequel le 1^er se déplace]] » de la série chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref> <math>\,\delta = \ln\! \left[ \dfrac{\theta(t)}{\theta(t + \mathcal{T})} \right] =</math> <math>\dfrac{1}{n}\;\ln\! \left[ \dfrac{\theta(t)}{\theta(t + n\;\mathcal{T})} \right]\,</math> dont la valeur est «<math>\;\delta \simeq 0,112\;</math>» d'où l'évaluation de la constante de temps d'amortissement <math>\,\tau = \dfrac{\mathcal{T}}{\delta} \simeq</math> <math>13,3\;s</math> <math>\,\bigg[</math>la pseudo-amplitude <math>\,\searrow\,</math> selon <math>\,\exp\! \left( - \dfrac{t}{\tau} \right)\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,\delta = \dfrac{\mathcal{T}}{\tau}\bigg]</math>. * <u>Diagramme horaire de vitesse angulaire du P.P.A.</u> <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="rendre A. le P.P." /> : ouvrant le fichier « PPA_t_theta.rw3 » dans « Regressi » <ref name="Regressi" /> correspondant à l'acquisition des positions angulaires du P.P.A. <ref name="P.P.N.A." />{{,}} <ref name="rendre A. le P.P." /> écarté de <math>\,\theta_0 \simeq 10\;\text{°} \simeq +\dfrac{\pi}{18}\;rad\,</math> de sa position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable" /> et lâché sans vitesse initiale, nous évaluons la vitesse angulaire par « Regressi » <ref name="Regressi" /> selon le mode opératoire décrit ci-après « dans le menu “Grandeurs” du fichier, sélectionner “Tableau”, cliquer sur “ajouter (une colonne)” puis sélectionner “dérivée” en renseignant tout ce qui est demandé, une fois la colonne de vitesse angulaire établie aller dans le menu “Graphe” du fichier, sélectionner le tracé de la vitesse angulaire en fonction du temps, on visualise alors le diagramme horaire de vitesse angulaire <math>\,\big(</math>sans que les différents points successifs ne soient reliés<math>\big)</math>, terminer en faisant la sauvegarde du fichier sous le nom “PPA_t_theta_omega.rw3” » <math>\,\big[</math>tracé non fourni, il est légèrement triangularisé avec une 1^ère pseudo-amplitude <math>\simeq 40\,\text{°} \cdot s^{-1}\big]</math>. * <u>[[w:Portrait_de_phase|Portrait de phase]] du P.P.A.</u> <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="rendre A. le P.P." /> : à partir du fichier « PPA_t_theta_omega.rw3 » ouvert dans « Regressi » <ref name="Regressi" /> correspondant à l'acquisition des positions angulaires du P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="rendre A. le P.P." /> écarté de <math>\,\theta_0 \simeq 10\;\text{°}</math> <math>\simeq +\dfrac{\pi}{18}\;rad\,</math> de sa position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable" /> et lâché sans vitesse initiale, à laquelle a été ajoutée l'évaluation de la vitesse angulaire correspondant aux différents instants de l'acquisition, on peut visualiser le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] du P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="rendre A. le P.P." /> <math>\,\big(</math>sans que les différents points successifs ne soient reliés<math>\big)\,</math> selon le mode opératoire suivant « dans le menu “Graphe” du fichier, sélectionner l'élongation angulaire comme abscisse et la vitesse angulaire comme ordonnée » <math>\;\big[</math>tracé non fourni à allure de « patatoïde » <math>\,\big(</math>car les points ne sont pas reliés, la théorie conduisant à un [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] spiralant en direction du point asymptote <math>\,\left\lbrace 0\,,\,0 \right\rbrace\big)\big]</math>. === Mise en évidence de l’amortissement du P.P. === {{Al|5}}On observe pratiquement un amortissement exponentiel dans le diagramme horaire de position angulaire du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Utilisation_de_la_centrale_de_conversion_Eurosmart_SysamSP5_pilotée_par_l’interface_python|utilisation de la centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 pilotée par l'interface python]] » plus haut dans ce chapitre bien que l'amplitude initiale d'oscillations ne soit pas petite <math>\,\big(</math>elle vaut en effet <math>\,\simeq 1,5\;rad \simeq 86\;\text{°}\big)</math>, la pseudo-période valant <math>\,\mathcal{T} \simeq 1,19\;s\,</math> et, en supposant que la pseudo-amplitude <math>\,\searrow\,</math> exponentiellement <ref name="décroissance exponentielle approximative dans le cas des pseudo-amplitudes non petites"> Ce qui sera établi dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’amplitudes_initiales_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'amplitudes initiales non petites]] (d'un P.P.A., approximation des petites élongations angulaires) » plus loin dans le chapitre dans les conditions de faibles valeurs absolues d'élongation angulaire mais qui ne l'est plus algébriquement dès que celles-ci peuvent devenir grandes <math>\,\big(</math>toutefois nous supposerons que cela reste plus ou moins exact numériquement<math>\big)</math>.</ref>, le décrément logarithmique <ref name="décrément logarithmique" /> <math>\,\delta = \ln\! \left[ \dfrac{\theta(t)}{\theta(t + \mathcal{T})} \right] = \dfrac{1}{n}\;\ln\! \left[ \dfrac{\theta(t)}{\theta(t + n\;\mathcal{T})} \right]\,</math> est estimée à «<math>\;\delta \simeq 0,15\;</math>» d'où l'évaluation de la constante de temps d'amortissement <math>\,\tau = \dfrac{\mathcal{T}}{\delta} \simeq 7,9\;s</math> <math>\,\bigg[</math>ceci, dans la mesure où la « pseudo-amplitude <math>\,\searrow\,</math> selon <math>\,\exp\! \left( - \dfrac{t}{\tau} \right)\;</math>» <ref name="décroissance exponentielle approximative dans le cas des pseudo-amplitudes non petites" /> <math>\Rightarrow</math> <math>\,\delta = \dfrac{\mathcal{T}}{\tau}\bigg]</math>. {{Al|5}}Dans le diagramme horaire de position angulaire du P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="rendre A. le P.P." /> du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Autre_utilisation_de_la_centrale_de_conversion_Eurosmart_SysamSP5_associée_aux_logiciels_«_Synchronie_2003_»_et_«_Regressi_»|autre utilisation de la centrale de conversion Eurosmart SysamSP5 associée aux logiciels “Synchronie 2003” et “Regressi”]] » plus haut dans ce chapitre, la <math>\,\searrow\,</math> exponentielle de la pseudo-amplitude est établie algébriquement <ref name="décroissance exponentielle approximative dans le cas des pseudo-amplitudes non petites" /> car cette dernière reste petite <math>\,\big(</math>la 1^ère pseudo-amplitude valant <math>\,10,1\;\text{°}\big)</math>, revoir l'étude dans le paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Autre_utilisation_de_la_centrale_de_conversion_Eurosmart_SysamSP5_associée_aux_logiciels_«_Synchronie_2003_»_et_«_Regressi_»|précité]] <math>\;\ldots</math> == En complément : équation différentielle du mouvement du pendule pesant amorti (à un degré de liberté) == === C.I. de lancement pour que le mouvement du P.P.A. soit à un degré de liberté === {{Al|5}}Le [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] <math>\,\big(</math>P.P.<math>\big)\,</math> devient « amorti <math>\,\big(</math>A.<math>\big)\;</math>» s’il est soumis <math>\,\big(</math>en plus de son poids et des actions de la liaison en <math>\,O\big)\,</math> à des forces de frottements fluides linéaires, les frottements solides étant toujours considérés comme inexistants : * si la liaison est une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] <math>\,\big(</math>idéale<math>\big)\;</math><ref name="liaison idéale"> C.-à-d. dans laquelle on peut négliger les frottements solides.</ref>, celle-ci imposant un seul degré de liberté de rotation, les C.I. <ref name="C.I."> Condition(s) Initiale(s).</ref> de lancement peuvent être quelconques <math>\,\big[</math>toutefois la liaison n'autorise qu'une vitesse initiale de lancement <math>\,\perp\,</math> à l'axe de la liaison<math>\big]</math> ; * si la liaison est une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] <ref name="liaison sphérique"> Encore appelée « [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison rotule]] », elle laisse trois degrés de liberté en rotation <math>\,\big[</math>deux permettant de définir la direction <math>\,\left( OG \right)\,</math> dans l’espace et un autorisant le solide à tourner autour de l’axe <math>\,\left( OG \right)\big]</math>.</ref> pour laquelle existent trois degrés de liberté de rotation, les C.I. <ref name="C.I." /> de lancement sont les mêmes que celles d'un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> permettant à ce dernier d'avoir un mouvement dans un plan fixe <ref name="C.I. pour un mouvement à un degré de liberté"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#C.I._de_lancement_pour_que_le_mouvement_du_P.P.(N.A.)_soit_à_un_degré_de_liberté|C.I. de lnacement pour que le mouvement du P.P.(N.A.) soit à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> à savoir : <br><math>\;\succ\;</math>« on écarte le P.P.A. <ref name="P.P.A." /> de sa position d’équilibre stable <ref name="équilibre stable" /> et on le lâche sans vitesse initiale <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\;</math><ref name="C.I. pour un mouvement à un degré de liberté" /> » ou <br><math>\;\succ\;</math>« on écarte le P.P.A. <ref name="P.P.A." /> de sa position d’équilibre stable <ref name="équilibre stable" /> et on le lâche avec une vitesse initiale de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> située dans le plan vertical contenant <math>\,O\;\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\;</math><ref name="C.I. pour un mouvement à un degré de liberté" /> ». {{Al|5}}<u>Remarque</u> : dans le cas où la liaison est une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] <math>\,\big(</math>idéale<math>\big)\;</math><ref name="liaison idéale" />, les C.I. de lancement sont aussi les «<math>\;\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\;</math> ou <math>\;\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\;</math>» <ref name="C.I. pour un mouvement à un degré de liberté" />, la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] imposant que le C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> ne peut être lancé que dans un plan transversal à la liaison <math>\;\ldots</math> === Dans le cas d’une liaison sphérique et avec les C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), établissement de la nature plane du mouvement du C.D.I. G du P.P.A. === [[File:Pendule pesant amorti à un degré de liberté - forces extérieures.png|thumb|360px|Schéma d'un P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] <ref name="liaison sphérique" /> avec ajout des actions extérieures, repérage cylindro-polaire d'axe <math>\,\overrightarrow{Oz}\,</math> vertical <math>\,\downarrow\,</math> du C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\;</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]], <math>\,I\,</math> étant le point où la résultante des forces de frottement fluide peut être appliquée]] {{Al|5}}La démonstration est analogue à celle exposée dans le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#En_complément,_établissement_de_la_nature_plane_du_mouvement_du_P.P.S.A._lancé_dans_les_C.I._«_1a_»_ou_«_1b_»|en complément, établissement de la nature plane du mouvement du P.P.S.A. lancé dans les C.I. “1a” ou “1b”]] » du chap.<math>12</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] », on y établit la nature plane du mouvement du {{Nobr|P.P.S.A. <ref name="P.P.S.A."> [[w:Pendule_simple|Pendule Pesant Simple]] Amorti.</ref>}} lancé dans les C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;1a\;</math>» ou «<math>\;1b\;</math>» <ref name="C.I. 1a ou 1b"> Voir les C.I. de lancement du P.P.S.(N.A.) pour que le mouvement de ce dernier soit à un degré de liberté dans le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Conditions_initiales_(C.I.)_de_lancement_«_1a_»_ou_«_1b_»_induisant_un_mouvement_du_P.P.S._à_un_degré_de_liberté|conditions initiales (C.I.) de lancement 1a ou 1b induisant un mouvement du P.P.S. à un degré de liberté]] » du chap.<math>12</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, toutefois, ici, la démonstration nécessitant de légères adaptations est exposée de nouveau ci-dessous : {{Al|5}}les actions extérieures exercées sur le [[w:Pendule_pesant|pendule]] sont <math>\,\big(</math>voir schéma ci-contre<math>\big)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids «<math>\;m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\;</math>» de moment vectoriel par rapport à <math>\,O\,</math> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = \overrightarrow{OG}(t) \wedge m\;\vec{g} =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}<math>\mathfrak{a}\;\vec{u}_{r_G}(t) \wedge m\;\vec{g}\;</math>» <ref name="déf de urG"> <math>\;\vec{u}_{r_G}(t)\;</math> étant le 1^er vecteur de base sphérique de pôle <math>\;O\;</math> associé au point <math>\;G</math>.</ref> dans lequel <math>\,\vec{u}_{r_G}(t) = \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\, \vec{u}_{\rho_G}(t) + \cos\! \left[ \theta_G(t) \right]\, \vec{u}_z\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}<math>\mathfrak{a}\, \left\lbrace \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\, \vec{u}_{\rho_G}(t) + \cos\! \left[ \theta_G(t) \right]\, \vec{u}_z \right\rbrace \wedge m\;g\;\vec{u}_z\;</math> ou, en utilisant la distributivité de la multiplication par un <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}scalaire et celle de la multiplication vectorielle par rapport à la même addition vectorielle <ref name="distributivité de la multiplication vectorielle relativement à l'addition vectorielle"> Voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Propriétés_2|propriétés]] de la multiplication vectorielle » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}<math>= \mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\, \vec{u}_{\rho_G}(t) \wedge m\;g\;\vec{u}_z\; \cancel{+\; \mathfrak{a}\; \cos\! \left[ \theta_G(t) \right]\, \vec{u}_z \wedge m\;g\;\vec{u}_z} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\varphi_G}(t)\;</math>» <ref> En effet la base <math>\,\left\lbrace \vec{u}_{\rho_G}(t), \,\vec{u}_z, \, \vec{u}_{\varphi_G}(t) \right\rbrace\,</math> étant direct, <math>\,\vec{u}_{\rho_G}(t) \wedge \vec{u}_z = -\vec{u}_{\varphi_G}(t)</math>.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>les actions de la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] en <math>\,O\,</math> se réduisant à « la réaction <math>\,\vec{R}(t)\;</math>», appliquée en <math>\;O</math>, se décomposant <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}a priori selon <math>\,\vec{R}(t) = R_{\rho_G}(t)\;\vec{u}_{\rho_G}(t) + R_{\varphi_G}(t)\;\vec{u}_{\varphi_G}(t) + R_z(t)\;\vec{u}_z\;</math><ref name="existence des trois composantes de la réaction"> Les trois composantes existent a priori si le [[w:Pendule_pesant|pendule]] est lancé avec une vitesse initiale non contenue dans le plan vertical de lancement.</ref> mais, avec les C.I. <ref name="C.I." /> de lancement <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;1a\;</math>» ou «<math>\;1b\;</math>» <ref name="C.I. 1a ou 1b" />, celle-ci se simplifie en <math>\,\vec{R}(t) = R_{\rho_G}(t)\;\vec{u}_{\rho_G}(t) + R_z(t)\;\vec{u}_z\;</math><ref name="réduction à deux composantes de la réaction dans ces C.I."> Si les C.I. de lancement du [[w:Pendule_pesant|pendule]] sont celles décrites au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#C.I._de_lancement_pour_que_le_mouvement_du_P.P.(N.A.)_soit_à_un_degré_de_liberté|C.I. de lancement pour que le mouvement du P.P.(N.A.) soit à un degré de liberté]] (dans le cas d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]]) » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] », la composante de la réaction sur <math>\,\vec{u}_{\varphi_G}(t)\,</math> est nulle c.-à-d. <math>\,R_{\varphi_G}(t) = 0\;\;\forall\;t\,</math> et par suite <math>\,\vec{R}(t) = R_{\rho_G}(t)\;\vec{u}_{\rho_G}(t) + R_z(t)\;\vec{u}_z</math>, en effet <br>{{Al|3}}une composante de réaction suivant une direction existe pour s’opposer à <math>\,\big(</math>ou limiter<math>\big)\,</math> une action suivant la direction considérée <math>\,\big\{</math><u>ce qui est le cas de la composante suivant</u><math>\;\vec{u}_z</math>, la seule action extérieure « le poids » étant suivant <math>\,\vec{u}_z</math>, la foce de frottement fluide étant une réaction<math>\big\}</math> ou <br>{{Al|3}}{{Transparent|une composante de réaction suivant une direction existe }}si un mouvement existe suivant la direction considérée à l'instant <math>\,0</math>, mouvement selon cette direction qui se poursuit en étant modifié par l'action <math>\,\big\{</math><u>ce qui est le cas de la composante de</u><math>\;\vec{R}\;</math><u>suivant</u><math>\;\vec{u}_{\rho_G}\,</math> dans les <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\,</math> de lancement, la seule action extérieure « le poids » étant suivant <math>\,\vec{u}_z\,</math> et la vitesse initiale de lancement <math>\,\vec{V}_G(0) =</math> <math>\Vert \vec{V}_G(0) \Vert \left[ \cos(\theta_0)\;\vec{u}_{\rho_G}(0) - \sin(\theta_0)\;\vec{u}_z \right]\,</math> ayant deux composantes suivant <math>\,\vec{u}_{\rho_G}(0)\,</math> et <math>\,\vec{u}_z</math> <math>\,\big[</math>à l'instant <math>\,0\,</math> les forces extérieures étant dans le plan vertical de lancement <math>\,\big(</math>la force de frottement fluide étant de même direction et de sens contraire à la vitesse<math>\big)\,</math> <math>\Rightarrow</math> le vecteur accélération initial de <math>\,G\,</math> y est contenu, de même que le vecteur vitesse initial de <math>\,G</math>, d'où on en déduit que le vecteur vitesse de <math>\,G\,</math> à un instant légèrement postérieur <math>\,\delta t\,</math> est aussi contenu dans le plan vertical de lancement de même que la force de frottement fluide <math>\,\ldots\,</math> ainsi on établit, par récurrence, que la réaction à l'instant <math>\,t\,</math> est dans le plan vertical de lancement<math>\big]\,</math> et <u>n'est pas le cas de la composante de</u><math>\,\vec{R}\,</math><u>suivant</u><math>\;\vec{u}_{\varphi_G}\,</math> dans les <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\,</math> ou <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\,</math> de lancement par absence simultanée de composante d'action et de vitesse à un instant juste antérieur <math>\,\big[</math>dans les <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\,</math> de lancement, il n'y a pas de vitesse initiale mais le mouvement démarrant suivant <math>\,\vec{u}_z\,</math> entraîne un mouvement suivant <math>\,\vec{u}_{\rho_G}\,</math> de façon à ce que la distance <math>\,OG\,</math> reste constante<math>\big]\big\}</math></ref> de vecteur moment par <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}rapport à <math>\,O\,</math> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = \vec{0}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>les actions des « forces de frottement fluide » supposées « linéaires » <ref> Bien que les conditions de frottement fluide vues dans le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Forces,_principe_des_actions_réciproques#En_complément,_condition_de_vitesse_relativement_aux_dimensions_du_système_de_points_matériels_fermé_indéformable_en_translation_dans_un_fluide_immobile_et_relativement_à_la_nature_de_ce_dernier_pour_une_forme_linéaire_ou_quadratique_de_frottement_fluide|en complément, condition de vitesse relativement aux dimensions du système de points matériels fermé indéformable dans un fluide immobile et relativement à la nature de ce dernier pour une forme linéaire ou quadratique de frottement fluide]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » et appliquées aux mouvements d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] nécessiteraient une forme quadratique de résistance à l'avancement du P.P. dans son environnement fluide pour coller de plus près à la réalité, nous faisons l'hypothèse d'une forme linéaire, celle-ci n'induisant qu'une faible erreur de traitement <math>\,\big(</math>et conduisant à une solution analytique dans le cas des faibles valeurs absolues d'élongations angulaires<math>\big)</math>.</ref> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions }}un pseudo point centré en <math>\,M</math>, point quelconque de la surface latérale <ref name="pseudo point d'une expansion surfacique"> Un pseudo point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M</math>, en translation dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> à la vitesse à l'instant <math>\,t</math> «<math>\;\vec{V}_M(t)\;</math>».</ref> du front du P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="front"> Le front d'un solide en translation dans un fluide globalement au repos est la projection orthogonale du solide sur un plan transverse c.-à-d. sur un plan <math>\,\perp\,</math> au vecteur vitesse du solide.</ref> de <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions }}[[w:Maître-couple|maître couple]] d'aire <math>\,{dS'}_{\!\!M}\;</math><ref name="maître couple"> Le [[w:Maître-couple|maître couple]] est défini pour un objet <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation, c'est la projection orthogonale de l'objet sur un plan transverse c.-à-d. sur un plan <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\vec {V}_{(\mathcal {S})}(t)</math> ; <br>{{Al|3}}quand le mouvement est quelconque on peut définir un [[w:Maître-couple|maître couple]] pour chaque pseudo-point <math>\,(M,\,dS)\,</math> de la surface latérale du front de l'objet <math>\,\big(</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#cite_note-front-60|⁶⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big)</math> ; <br>{{Al|3}}{{Transparent|quand le mouvement est quelconque }}l'aire du [[w:Maître-couple|maître couple]] de <math>\,(M,\,dS)\,</math> du plan localement transverse à savoir «<math>\;{dS'}_{\!\!M}\;</math>» est aussi la projection orthogonale de <math>\,dS\,</math> sur ce plan.</ref> subit une force de frottement fluide linéaire «<math>\;\overrightarrow{d \mathcal{R}}_{dS,\,\text{flu}}(M) = -h\;\vec{V}_M\;\dfrac{{dS'}_{\!\!M}}{S'}\;</math>» <math>\Bigg\{</math>«<math>\;S' = \displaystyle\iint\limits_{S_{\text{lat. front}}} {dS'}_{\!\!M}\;</math>» <ref name="intégrale surfacique"> Voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref> étant l'aire du [[w:Maître-couple|maître couple]] <br>{{Al|3}}{{Transparent|quand le mouvement est quelconque }}du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> <math>\,\big(</math>en toute rigueur le front de la surface latérale dépendant du sens de déplacement du [[w:Pendule_pesant|pendule]], <math>\,{dS'}_{\!M}\,</math> et <math>\,S'\,</math> en dépendent, néanmoins nous supposerons, <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions }}pour simplifier l'étude, qu'il n'en est rien <ref name="front de surface latérale indépendante du sens de déplacement"> Par exemple en supposant que le [[w:Pendule_pesant|pendule]], dans sa position initiale de lancement, est géométriquement symétrique relativement au plan contenant <math>\,OG\,</math> et <math>\,\perp\,</math> au plan vertical de lancement.</ref><math>\big)</math>, «<math>\;h\;</math>» une constante positive <math>\,\big(</math>exprimée en <math>\;kg \cdot s^{-1}\big)\,</math> caractéristique du frottement linéaire dépendant de la [[w:Viscosité_dynamique|viscosité]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions }}[[w:Viscosité_dynamique|dynamique]] <ref name="viscosité dynamique"> La définition de la [[w:Viscosité_dynamique|viscosité dynamique]] d'un fluide <math>\,\eta_{\text{flu}}\,</math> n'est pas au programme de P.C.S.I. mais on peut en donner une 1^ère notion élémentaire en considérant une couche de fluide de faible épaisseur se déplaçant sur un plan immobile, le plan exercera sur la couche une force de frottement qui tendra à ralentir le déplacement de la couche et ceci d'autant plus que le fluide sera visqueux {{Nobr|<math>\,\big(</math>c.-à-d.}} qu'il « collera » au plan<math>\big)</math> ; <br>{{Al|3}}si on considère maintenant le fluide visqueux d'épaisseur <math>\,e\,</math> non petite se déplaçant sur le plan immobile par entrainement de sa couche supérieure <math>\,\big(</math>cette couche supérieure étant entraînée par ce qu'il y a au-dessus, par exemple le vent sur un cours d'eau ou un plan mobile sur de l'huile<math>\big)</math>, la vitesse en son sein varie suivant l'altitude <math>\,z\,</math> car la couche inférieure à l'altitude <math>\,z_i = 0\,</math> tend à avoir la même vitesse que le plan sur lequel elle repose alors que la couche supérieure à l'altitude <math>\,z_s = e > 0\,</math> a la même vitesse que l'objet qui l'entraîne : une couche intermédiaire de fluide de faible épaisseur à l'altitude <math>\,z \in \left] 0\,,\, e \right[\,</math> va donc subir deux forces de contact, celle de la couche immédiatement supérieure d'altitude <math>\,z^{+}\,</math> qui va plus vite qu'elle et tend à l'entraîner et celle de la couche immédiatement inférieure d'altitude <math>\,z^{-}\,</math> qui va moins vite qu'elle et tend à la ralentir, on parlera de forces de cisaillement car les deux forces agissent en sens contraires ; on établit que la [[w:Contrainte_de_cisaillement|contrainte de cisaillement]] {{Nobr|<math>\,\big[</math>c.-à-d.}} la norme commune des forces tangentielles de cisaillement rapportée à l'unité de surface des couches en regard<math>\big]\,</math> que l'on notera <math>\,\tau_{\text{cis}} = \bigg\Vert \dfrac{d \vec{f}_{z\,\leftarrow\,z^{+}}}{d \Sigma} \bigg\Vert = \bigg\Vert \dfrac{d \vec{f}_{z\,\leftarrow\,z^{-}}}{d \Sigma} \bigg\Vert\,</math> s'exprimant en <math>\,Pa</math>, <math>\,d \Sigma\,</math> étant l'aire élémentaire commune des couches en regard, est liée à la [[w:Viscosité_dynamique|viscosité dynamique]] <math>\,\eta_{\text{flu}}\,</math> du fluide par <math>\,\tau_{\text{cis}} = \eta_{\text{flu}}\; \bigg\Vert \dfrac{d \vec{V}_{\text{couche}_z}}{d z} \bigg\Vert\,</math> avec <math>\,\vec{V}_{\text{couche}_z}\,</math> le vecteur vitesse de translation de la couche d'altitude <math>\,z</math>, ceci impliquant que la [[w:Viscosité_dynamique|viscosité dynamique]] <math>\,\eta_{\text{flu}}\,</math> du fluide s'exprime en <math>\,Pa \cdot s\,</math> <math>\big[</math>encore appelé « poiseuille » de symbole <math>\,Pl</math>, ce nom ayant été donné en hommage à '''[[w:Jean-Léonard-Marie_Poiseuille|Jean-Léonard-Marie Poiseuille]] (1797 - 1869)''' physicien et médecin français pour son étude de l'écoulement du sang dans les vaisseaux et la généralisation de celle-ci aux [[w:Écoulement_laminaire|écoulements laminaires]] des fluides visqueux dans les tuyaux cylindriques<math>\big]</math> ;<br>{{Al|3}}c'est aussi ce qu'on observe lors de la circulation d'un fluide dans une conduite, les molécules de fluide au contact de la conduite tendant à rester immobiles alors que celles sur l'axe de la conduite {{Nobr|<math>\,\big(</math>c.-à-d.}} les molécules les plus éloignées des parois de la conduite<math>\big)\,</math> ont la vitesse maximale <math>\;\ldots</math> <br>{{Al|3}}on définit aussi une autre viscosité appelée [[w:Viscosité_cinématique|viscosité cinématique]] notée <math>\,\nu_{\text{flu}}\,</math> qui dépend de la [[w:Viscosité_dynamique|viscosité dynamique]] <math>\,\eta_{\text{flu}}\,</math> du fluide ainsi que de sa masse volumique <math>\,\mu_{\text{flu}}\,</math> selon <math>\,\nu_{\text{flu}} = \dfrac{\eta_{\text{flu}}}{\mu_{\text{flu}}}\,</math> s'exprimant donc en <math>\,m^2 \cdot s^{-1}\,</math> <math>\big[</math>mais cette unité étant relativement grande on en a introduit une mieux adaptée le « stokes » de symbole <math>\,St\,</math> égal à <math>\,1\,St = 10^{-4}\,m^2 \cdot s^{-1}\big]</math> ; '''[[w:George_Gabriel_Stokes|George Gabriel Stokes]] (1819 - 1903)''' est un mathématicien et physicien britannique à qui on doit, dans le domaine de la physique, d'importants travaux en [[w:Mécanique_des_fluides|mécanique des fluides]], l'étude des variations de la gravitation à la surface de la terre <math>\,\big(</math>il est considéré comme l'un des initiateurs de la [[w:Géodésie|géodésie]]<math>\big)\,</math> et aussi l'explication du phénomène de [[w:Fluorescence|fluorescence]].</ref> et de la densité du fluide <ref name="influence de la densité du fluide sur les frottements fluides"> Par exemple un objet rentrant dans l'atmosphère subira une résultante de forces de frottement fluide plus faible dans la haute atmosphère <math>\,\big(</math>où la densité est faible, l'atmosphère y étant raréfiée<math>\big)\,</math> que dans l'atmosphère proche du sol.</ref> ainsi que « de la forme et des dimensions du système de points matériels »<math>\Bigg\}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions un pseudo point }}<math>\succ\;</math>la résultante des forces de frottement fluide «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{R}}_{\!\text{flu}} = \displaystyle\iint\limits_{S_{\text{lat. front}}} \overrightarrow{d \mathcal{R}}_{dS,\,\text{flu}}(M) = -\dfrac{h}{S'}\! \displaystyle\iint\limits_{S_{\text{lat. front}}} \vec{V}_{\!M}\;{dS'}_{\!\!M}\;</math>» <ref name="intégrale surfacique" /> laquelle se réécrit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions un pseudo point <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>}}en définissant <math>\;I</math>, point solidaire du [[w:Pendule_pesant|pendule]], selon «<math>\;\overrightarrow{OI} = \dfrac{1}{S'}\! \displaystyle\iint\limits_{S_{\text{lat. front}}} \overrightarrow{OM}\;{dS'}_{\!\!M}\;</math>» <ref name="intégrale surfacique" />{{,}} <ref name="unicité de I"> Supposant, pour simplifier l'étude, que la forme du front de la surface latérale ne dépend pas du sens de déplacement du [[w:Pendule_pesant|pendule]] et donc que <math>\,{dS'}_{\!M}\,</math> ainsi que <math>\,S'\,</math> n'en dépendent pas non plus, l'intégrale de définition de <math>\,I\,</math> est la même pour les deux sens de déplacement du [[w:Pendule_pesant|pendule]].</ref>{{,}} <ref name="positionnement relatif de I par rapport à G"> Compte-tenu des définitions de <math>\,I</math> <math>\,\big(</math>qui ne dépend que du positionnement des [[w:Maître-couple|maîtres couples]] locaux sans influence des masses<math>\big)\,</math> et de <math>\,G</math> <math>\,\big(</math>qui dépend de la répartition des masses en volume<math>\big)</math>, {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{OI}\;</math>»}} n’est en général pas dans le plan vertical contenant «<math>\;\overrightarrow{OG}\;</math>».</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions un pseudo point <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>}}en dérivant <math>\,\overrightarrow{OI}\,</math> par rapport au temps, «<math>\;\vec{V}_I(t) = \dfrac{1}{S'}\! \displaystyle\iint\limits_{S_{\text{lat. front}}} \vec{V}_{\!M}(t)\;{dS'}_{\!\!M}\;</math>» <ref name="intégrale surfacique" />, «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{R}}_{\!\text{flu}}(t) = -h\;\vec{V}_I(t)\;</math>» <ref name="vecteurs vitesse des points liés au pendule"> Même si <math>\,I\,</math> n’est pas dans le plan vertical contenant «<math>\;\overrightarrow{OG}\;</math>», <math>\,I\,</math> et <math>\,G\,</math> sont des points liés au solide tournant autour de son point fixe <math>\,O\,</math> et on en déduit «<math>\;\vec{V}_G(t) = \vec{\Omega}(t) \wedge \overrightarrow{OG}(t)\;</math>» ainsi que «<math>\;\vec{V}_I(t) = \vec{\Omega}(t) \wedge \overrightarrow{OI}(t)\;</math>» où «<math>\;\vec{\Omega}(t)\;</math>» est le vecteur rotation instantanée <math>\,\perp\,</math> au plan vertical contenant «<math>\;\overrightarrow{OG}\;</math>».</ref> s’appliquant en <math>\,I\;</math><ref name="positionnement relatif de I par rapport à G" />{{,}} <ref name="justification de varphiI = varphiG et de l'hypothèse thetaI = thetaG"> Toutefois la seule action extérieure motrice étant le poids, lequel n'a pas de composante hors du plan vertical contenant <math>\,\overrightarrow{OG}\,</math> et en absence de vitesse initiale de <math>\,G\,</math> hors de ce plan, la résultante des forces de frottement fluide ne peut avoir de composante hors de ce plan et comme celle-ci est <math>\,\propto\,</math> à <math>\,\vec{V}_I</math>, on en déduit que le vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_I\,</math> doit être <math>\,\parallel\,</math> à ce plan et par suite que l'éventuelle composante de <math>\,\overrightarrow{OI}\,</math> hors de ce plan devant être constante pour chaque sens de déplacement du [[w:Pendule_pesant|pendule]] est finalement nulle si on suppose que le [[w:Pendule_pesant|pendule]] est géométriquement symétrique relativement à ce plan, on peut donc aisément supposer que «<math>\;I\;</math>» <math>\,\in\,</math> au plan vertical contenant <math>\,\overrightarrow{OG}</math> ; <br>{{Al|3}}<math>\,I\,</math> étant comme <math>\,G\,</math> solidaires du [[w:Pendule_pesant|pendule]], l'angle <math>\,\theta_I\,</math> que fait <math>\,\overrightarrow{OI}\,</math> avec la verticale <math>\downarrow</math> passant par <math>\,O\,</math> est lié de façon unique à l'angle <math>\,\theta_G\,</math> que fait <math>\,\overrightarrow{OG}\,</math> avec cette même verticale <math>\downarrow</math> passant par <math>\,O</math>, le lien le plus simple est de supposer que <math>\,\theta_I = \theta_G\,</math> et c'est l'hypothèse que nous admettrons <math>\,\big(</math>mais en fait tout dépend du lien existant entre la répartition des masses dans le [[w:Pendule_pesant|pendule]] et celle des [[w:Maître_couple|maîtres couples]] locaux<math>\big)</math>, pour simplifier on a donc représenté <math>\,I\,</math> sur le support de <math>\,\overrightarrow{OG}</math>.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions un pseudo point }}<math>\succ\;</math>le vecteur moment par rapport à <math>\,O\,</math> des forces de frottement fluide «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{O,\,\text{flu}} = \overrightarrow{OI} \wedge \overrightarrow{\mathcal{R}}_{\!\text{flu}} = -h\;\overrightarrow{OI} \wedge \left[ \vec{\Omega} \wedge \overrightarrow{OI} \right]\;</math>» <ref name="vecteurs vitesse des points liés au pendule" /> soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions un pseudo point <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>}}en utilisant une formule du double produit vectoriel <ref name="formules du double produit vectoriel"> Voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Formules_du_double_produit_vectoriel|formules du double produit vectoriel]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] », la formule utilisée étant «<math>\;\vec{u} \wedge \left( \vec{v} \wedge \vec{w} \right) = \left( \vec{u} \cdot \vec{w} \right) \vec{v} - \left( \vec{u} \cdot \vec{v} \right) \vec{w}\;</math>».</ref>, «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{O,\,\text{flu}} = -h \left[ \overrightarrow{OI}^2\;\vec{\Omega} - \left( \overrightarrow{OI} \cdot \vec{\Omega} \right) \overrightarrow{OI} \right]\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions un pseudo point <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>}}faisant les hypothèses simplificatrices «<math>\;I\,\in\,</math> au plan vertical contenant <math>\,\overrightarrow{OG}\;</math>» en accord avec les C.I. <ref name="C.I." /> de lancement et «<math>\;\theta_I = \theta_G\;</math>» <ref name="justification de varphiI = varphiG et de l'hypothèse thetaI = thetaG" /> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions un pseudo point <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>faisant les hypothèses simplificatrices }}«<math>\;\vec{\Omega} = \dot{\theta}_G\;\vec{u}_{\varphi_G} + \dot{\varphi}_G\;\vec{u}_z\;</math>» et «<math>\;\overrightarrow{OI} = r_I\;\vec{u}_{r_G}\;</math>» d'où «<math>\;\overrightarrow{OI} \cdot \vec{\Omega} = \cancel{r_I\;\dot{\theta}_G \left( \vec{u}_{r_G} \cdot \vec{u}_{\varphi_G} \right) +}\; r_I\;\dot{\varphi}_G \left( \vec{u}_{r_G} \cdot \vec{u}_z \right)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions un pseudo point <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>faisant les hypothèses simplificatrices «<math>\;\color{transparent}{\vec{\Omega} = \dot{\theta}_G\;\vec{u}_{\varphi_G} + \dot{\varphi}_G\;\vec{u}_z}\;</math>» et «<math>\;\color{transparent}{\overrightarrow{OI} = r_I\;\vec{u}_{r_G}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\overrightarrow{OI} \cdot \vec{\Omega}}\,</math> }}<math>= r_I\;\dot{\varphi}_G\;\cos(\theta_G)\;</math>» <ref> En effet la base sphérique <math>\,\left\lbrace \vec{u}_{r_G}\,,\,\vec{u}_{\theta_G}\,,\,\vec{u}_{\varphi_G} \right\rbrace\,</math> liée à <math>\,G\,</math> étant orthonormée directe <math>\,\big\{</math>c.-à-d. utilisant, dans un espace orienté à droite <math>\,\big[</math>voir l'« introduction du paragraphe [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Produit_vectoriel_de_deux_vecteurs|produit vectoriel de deux vecteurs]] (pour la signification d'espace orienté à droite) » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]</math>, la règle de la main droite, voir la description et d'autres règles identiques dans la note « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#cite_note-règle_de_la_main_droite-17|¹⁷]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big\}\,</math> on a «<math>\;\vec{u}_{r_G} \cdot \vec{u}_{\varphi_G} = 0\;</math>» d'une part et d'autre part «<math>\;\vec{u}_{r_G} \cdot \vec{u}_z = \cos(\theta_G)\;</math>» <math>\,\theta_G\,</math> étant l'angle entre <math>\,\vec{u}_z\,</math> et <math>\,\vec{u}_{r_G}</math> <math>\,\big\{</math>angle <math>\,\geqslant 0</math>, les angles du plan méridien étant orientés par <math>\,\vec{u}_{\varphi_G}\,</math> selon la règle du tire-bouchon de Maxwell <math>\,\big[</math>tire-bouchon pour droitier, plaçant un bouchon en un point <math>\,M\,</math> de l'espace et tournant le tire-bouchon de façon à ce qu'il s'enfonce dans le bouchon, l'orientation est donnée par les sens associés de rotation et de translation au point <math>\,M</math>, elle est dite « à droite » parce qu'il faut tourner vers la droite pour que le tire-bouchon s'enfonce dans le bouchon<math>\big]\big\}</math> ; <br>{{Al|3}}'''[[w:James_Clerk_Maxwell|James Clerk Maxwell]] (1831 - 1879)''' physicien et mathématicien écossais, principalement connu pour ses [[w:Équations_de_Maxwell|équations]] unifiant l'électricité, le magnétisme et l'induction ainsi que pour l'établissement du caractère électromagnétique des ondes lumineuses, mais aussi pour sa [[w:Loi_de_distribution_des_vitesses_de_Maxwell#Énoncé|distribution des vitesses]] utilisée dans une description statistique de la [[w:Théorie_cinétique_des_gaz|théorie cinétique des gaz]] ; le tire-bouchon fictif portant son nom a été baptisé ainsi en son honneur.</ref>, on en déduit <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions un pseudo point <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>faisant les hypothèses simplificatrices }}«<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{O,\,\text{flu}} = -h\;r_I^2 \left\lbrace \dot{\theta}_G\;\vec{u}_{\varphi_G} + \dot{\varphi}_G \left[ \vec{u}_z - \cos(\theta_G)\;\vec{u}_{r_G} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref> En effet <math>\,\overrightarrow{\mathcal{M}}_{O,\,\text{flu}} = -h \left\lbrace r_I^2 \left[ \dot{\theta}_G\;\vec{u}_{\varphi_G} + \dot{\varphi}_G\;\vec{u}_z \right] - r_I^2\;\dot{\varphi}_G\;\cos(\theta_G)\;\vec{u}_{r_G} \right\rbrace = -h\;r_I^2 \left\lbrace \dot{\theta}_G\;\vec{u}_{\varphi_G} + \dot{\varphi}_G \left[ \sin^2(\theta_G)\;\vec{u}_z - \sin(\theta_G)\;\cos(\theta_G)\;\vec{u}_{\rho_G} \right] \right\rbrace\,</math> se réécrit en base cylindro-polaire liée à <math>\,G\,</math> sachant que <math>\,\vec{u}_{r_G} =</math> <math>\cos(\theta_G)\;\vec{u}_z + \sin(\theta_G)\;\vec{u}_{\rho_G}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,\vec{u}_z - \cos(\theta_G)\;\vec{u}_{r_G} = \left[ 1 - \cos^2(\theta_G) \right] \vec{u}_z - \sin(\theta_G)\;\cos(\theta_G)\;\vec{u}_{\rho_G} = \sin^2(\theta_G)\;\vec{u}_z - \sin(\theta_G)\;\cos(\theta_G)\;\vec{u}_{\rho_G}\,</math> soit l'expression finale donnée.</ref> ou encore, en posant «<math>\;H = h\,r_I^2\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|les actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions un pseudo point <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>faisant les hypothèses simplificatrices }}«<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{O,\,\text{flu}}(t) = -H\; \dot{\theta}_G(t)\;\vec{u}_{\varphi_G}(t) - H\; \dot{\varphi}_G(t) \left\lbrace \sin^2\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_z - \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\cos\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\rho_G}(t) \right\rbrace\;</math>» <ref> En effet <math>\,\vec{u}_{r_G} = \cos(\theta_G)\;\vec{u}_z + \sin(\theta_G)\;\vec{u}_{\rho_G}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,\vec{u}_z - \cos(\theta_G)\;\vec{u}_{r_G} = \vec{u}_z - \cos(\theta_G) \left[ \cos(\theta_G)\;\vec{u}_z + \sin(\theta_G)\;\vec{u}_{\rho_G} \right] = \sin^2(\theta_G)\;\vec{u}_z - \cos(\theta_G)\;\sin(\theta_G)\;\vec{u}_{\rho_G}</math>.</ref>. {{Al|5}}<u>Démonstration de la nature plane du mouvement de</u><math>\;G\;</math><u>dans les</u><math>\;\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\;</math><u>de lancement</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane }}le théorème du mouvement du C.D.I. <ref name="C.D.I." /> appliqué au P.P.A. <ref name="P.P.A." /> «<math>\;m\;\vec{g} + \vec{R}(t) + \overrightarrow{\mathcal{R}}_{\!\text{flu}}(t) = m\;\vec{a}_G(t)\;\; (\mathfrak{2})\;</math>» <ref name="théorème du mouvement du C.D.I."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Principe_fondamental_de_la_dynamique_et_théorème_de_la_résultante_cinétique#Énoncé_du_théorème_(dynamique_newtonienne)|énoncé du théorème (dynamique newtonienne)]] (du mouvement du centre d'inertie d'un système fermé de points matériels) » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] », sa généralisation, sans aucune restriction, à un système continu fermé de matière d'expansions tridimensionnelle, surfacique ou linéique étant admise.</ref> avec «<math>\;m\;\vec{g}\,</math> et <math>\,\vec{R}\,</math> dans le plan <math>\,\left( \vec{u}_{\rho_G}\,,\, \vec {u}_z \right)\;</math>» d'une part <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane }}ainsi que «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{R}}_{\!\text{flu}} = -h\;\vec{V}_I = -h \left[ \vec{\Omega} \wedge \overrightarrow{OI} \right] = -h \left[ \dot{\theta}_G\;\vec{u}_{\varphi_G} + \dot{\varphi}_G\;\vec{u}_z \right] \wedge r_I\;\vec{u}_{r_G}\;</math>» <ref> En utilisant la distributivité de la multiplication vectorielle relativement à l'addition vectorielle <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Propriétés_2|propriétés]] (de la multiplication vectorielle) » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> d'où la réécriture du 1^er terme <math>\,\big(</math>après mise en facteur par <math>\,-h\;r_I\big)\,</math> selon <math>\,\dot{\theta}_G\;\vec{u}_{\varphi_G} \wedge \vec{u}_{r_G} = \dot{\theta}_G\;\vec{u}_{\theta_G}</math>, celle du 2^ème terme <math>\,\big(</math>après la même mise en facteur par <math>\,-h\;r_I\big)\,</math> donnant <math>\,\dot{\varphi}_G\;\vec{u}_z \wedge \vec{u}_{r_G}\,</math> ou, avec <math>\,\vec{u}_{r_G} = \cos(\theta_G)\;\vec{u}_z + \sin(\theta_G)\;\vec{u}_{\rho_G}</math>, <math>\,\dot{\varphi}_G\;\sin(\theta_G)\;\vec{u}_z \wedge \vec{u}_{\rho_G} = \dot{\varphi}_G\;\sin(\theta_G)\;\vec{u}_{\varphi_G}</math>.</ref> d'où «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{R}}_{\!\text{flu}} = -h\;r_I \left[ \dot{\theta}_G\;\vec{u}_{\theta_G} + \dot{\varphi}_G\;\sin(\theta_G)\;\vec{u}_{\varphi_G} \right]\;</math>» ou encore «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{R}}_{\!\text{flu}}</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane ainsi que «<math>\;\color{transparent}{\overrightarrow{\mathcal{R}}_{\!\text{flu}}}</math> }}<math>= -h\;r_I\; \dot{\theta}_G\;\vec{u}_{\theta_G} - h\;\rho_I\; \dot{\varphi}_G\;\vec{u}_{\varphi_G}\,</math> avec <math>\,r_I\;\sin(\theta_G) = \rho_I\;</math>» d'autre part, d'où, en projetant l'équation <math>\,(\mathfrak{2})\,</math> sur <math>\,\vec{u}_{\varphi_G}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane }}«<math>\;0 + 0 - h\;\rho_I(t)\; \dot{\varphi}_G(t) = m\;a_{\varphi_G,\,G}(t) = m\;\dfrac{1}{\rho_G(t)}\;\dfrac{d\! \left[ \rho_G^2\,\dot{\varphi_G} \right]}{dt}(t)\;</math>» par forme semi-intégrée de l'accélération orthoradiale en repérage cylindro-polaire <ref name="forme semi intégrée de l'accélération orthoradiale"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Description_et_paramétrage_du_mouvement_d'un_point_:_Systèmes_de_coordonnées#Composantes_cylindro-polaires_(ou_cylindriques)_du_vecteur_accélération_du_point_repéré_dans_le_référentiel_d'étude|composantes cylindro-polaires (ou cylindriques) du vecteur accélération du point repéré dans le référentiel d'étude]] (autre forme de l'accélération orthoradiale) » du chap.<math>2</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dans laquelle la coordonnée orthoradiale <math>\,\theta\,</math> doit être remplacée par <math>\,\varphi_G</math>.</ref> <br>{{Al|8}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane «<math>\;\color{transparent}{0 + 0 - h\;\rho_I(t)\; \dot{\varphi}_G(t) = m\;a_{\varphi_G,\,G}(t) = m\;\rho_G(t)\;d\! \left[ \rho_G^2\,\dot{\varphi_G} \right](t)}\;</math>» par forme semi-intégrée de l'accélération orthoradiale en }}dont la validité suppose «<math>\;\rho_G \neq 0\;</math>» ou, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane }}avec «<math>\;\rho_I(t) = \dfrac{r_I}{\mathfrak{a}}\;\rho_G(t)\;</math>» <ref> <math>\,I\,</math> et <math>\,G\,</math> étant solidaires du [[w:Pendule_pesant|pendule]] leur disposition à l'instant <math>\,t\,</math> reste la même que celle à l'instant initial.</ref>, en multipliant les deux membres par <math>\,\rho_G(t) \neq 0,\;\;\forall\;t</math>, <math>\Rightarrow</math> «<math>\;-h\;\dfrac{r_I}{\mathfrak{a}}\;\rho_G^2(t)\; \dot{\varphi}_G(t) = m\;\dfrac{d\! \left[ \rho_G^2\,\dot{\varphi_G} \right]}{dt}(t)\;</math>», soit finalement <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane }}«<math>\;\dfrac{d\! \left[ \rho_G^2\,\dot{\varphi_G} \right]}{dt}(t) + \dfrac{h\;r_I}{m\;\mathfrak{a}} \left[ \rho_G^2\,\dot{\varphi_G} \right](t) = 0\,</math> pour <math>\,t \in \mathbb{R}^{+} \setminus \left\lbrace t_{\text{éq stable}} \right\rbrace\;</math>» <ref name="suppression des instants de passage à l'équilibre stable"> Pour cela il est nécessaire de supprimer les valeurs de <math>\,t\,</math> pour lesquelles <math>\,\rho_G(t) = 0</math>, <math>\,\big[t = t_{\text{éq stable}}\,</math> instants de passage par la position verticale d'équilibre stable du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]], ce dernier étant en équilibre stable pour <math>\,G\,</math> sur la verticale de <math>\,O\,</math> et au-dessous<math>\big]</math>.</ref>, équation différentielle linéaire homogène du 1^er ordre en <math>\,\rho_G^2\,\dot{\varphi_G}\,</math> à cœfficients constants, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane }}qui s'intègre, sur chaque intervalle continu de temps <math>\,\mathcal{I}_i\;i\,\in\,\mathbb{N}\,</math> ne contenant pas de valeurs <math>\,t_{\text{éq stable}}</math>, en «<math>\;\rho_G^2(t)\,\dot{\varphi_G}(t) = A_i\;\exp\! \left( -\dfrac{h\;r_I}{m\;\mathfrak{a}}\;t\right)\;\forall\;t\;\in\;\mathcal{I}_i\;</math>» <ref name="constante d'intégration dépendant a priori de l'intervalle d'intégration"> Constante d'intégration <math>\,A_i\,</math> dépendant a priori de l'intervalle continu de temps <math>\,\mathcal{I}_i\,</math> sur lequel se fait l'intégration mais en fait toutes ces constantes vont être égales d'après ce qui suit et la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#cite_note-constantes_d'intégration_toutes_égales-82|⁸²]] » plus bas dans le chapitre <math>\;\ldots</math></ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane qui s'intègre, }}dont on peut prolonger le résultat aux valeurs discrètes <math>\,t_{\text{éq stable}}\,</math> compte-tenu de la continuité des grandeurs <math>\,\rho_G(t)\;</math><ref name="continuité des longueurs"> Si une longueur était discontinue de 1^ère espèce <math>\,\big(</math>correspondant à un saut fini à l'instant de discontinuité<math>\big)</math>, cela supposerait une vitesse infinie à l'instant de discontinuité, ce qui n'est pas possible <math>\;\ldots</math></ref> et <math>\,\dot{\varphi_G}(t)\;</math><ref name="continuité des vitesses"> Si la vitesse angulaire <math>\,\dot{\varphi_G}(t)\,</math> était discontinue de 1^ère espèce <math>\,\big(</math>correspondant à un saut fini à l'instant de discontinuité<math>\big)</math>, cela supposerait la vitesse orthoradiale <math>\,\rho_G(t)\;\dot{\varphi_G}(t)\,</math> également discontinue de 1^ère espèce et par suite sa dérivée temporelle infinie à l'instant de discontinuité <math>\,\big[</math>attention la dérivée temporelle de la vitesse orthoradiale n'est pas l'accélération orthoradiale revoir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Description_et_paramétrage_du_mouvement_d'un_point_:_Systèmes_de_coordonnées#Composantes_cylindro-polaires_(ou_cylindriques)_du_vecteur_accélération_du_point_repéré_dans_le_référentiel_d'étude|composantes cylindro-polaires (ou cylindriques) du vecteur accélération du point repéré dans le référentiel d'étude]] » du chap.<math>2</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>, ce qui nécessiterait la discontinuité de 1^ère espèce d'au moins une force appliquée et n'est pas le cas ici <math>\;\ldots</math></ref> pour tout <math>\,t \in \mathbb{R}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane qui s'intègre, }}ce qui entraîne la continuité de <math>\,\rho_G^2(t)\,\dot{\varphi_G}(t)\;</math><ref name="constantes d'intégration toutes égales"> Et par suite une même constante d'intégration pour tous les intervalles continus de temps ne contenant pas de valeurs <math>\,t_{\text{éq stable}}\;\ldots</math></ref> soit finalement «<math>\;\rho_G^2(t)\,\dot{\varphi_G}(t) = A\;\exp\! \left( -\dfrac{h\;r_I}{m\;\mathfrak{a}}\;t\right)\!,\;\;\forall\;t \in \mathbb{R}^{+}\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane qui s'intègre, }}on détermine la constante <math>\,A\,</math> par utilisation partielle des C.I. <ref name="C.I." /> <math>\,\left\lbrace \begin{array}{l} \theta_G(0) = \theta_0\;&\text{et }&\varphi_G(0) = 0\\ \dot{\theta_G}(0) = 0\;&\text{et }&\dot{\varphi_G}(0) = 0\end{array}\right\rbrace\;</math><ref name="demi-plan méridien de référence"> En choisissant le plan de lancement comme demi-plan méridien de référence <math>\,xOz\,</math> on en déduit <math>\,\varphi_G(0) = 0</math>.</ref>{{,}} <ref name="traduction de l'absence de vitesse initiale"> Par absence de vitesse initiale on a <math>\,V_{z_G}(0) = \dot{z_G}(0) = -\mathfrak{a}\;\sin(\theta_0)\;\dot{\theta_G}(0) = 0\,</math> <math>\big\{</math>en effet <math>\,z_G(t) = \mathfrak{a}\;\cos[ \theta(t)]\big\}\,</math> d'où <math>\,\dot{\theta_G}(0) = 0\,</math> et <math>\,V_{\varphi_G}(0) = \rho(0)\;\dot{\varphi_G}(0) = \mathfrak{a}\;\sin(\theta_0)\;\dot{\varphi_G}(0) = 0\,</math> <math>\big\{</math>en effet <math>\,\rho_G(t) = \mathfrak{a}\;\sin[ \theta(t)]\big\}\,</math> d'où <math>\,\dot{\varphi_G}(0) = 0</math>.</ref> soit, avec «<math>\;\rho_G(t) = \mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane qui s'intègre, }}la réécriture partielle des C.I. <ref name="C.I." /> sous la forme «<math>\;\mathfrak{a}^2\;\sin^2(\theta_0)\;\dot{\varphi_G}(0) = A\;</math>» ou «<math>\;0 = A\;</math>» et par suite «<math>\;\rho_G^2(t)\,\dot{\varphi_G}(t) = 0,\;\;\forall\;t \in \mathbb{R}^{+}</math>» ou, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane qui s'intègre, }}en simplifiant par <math>\,\rho_G^2(t)\,</math> non identiquement nul, «<math>\;\dot{\varphi_G}(t) = 0,\;\;\forall\;t \in \mathbb{R}^{+}\;</math>» ou enfin, après intégration «<math>\;\varphi_G(t) = cste',\;\;\forall\;t \in \mathbb{R}^{+}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane qui s'intègre, }}on détermine la valeur de <math>\,cste'\,</math> par C.I. <ref name="C.I." /> <math>\,\varphi_G(0) = 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste' = 0</math>, soit finalement <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane qui s'intègre, }}«<math>\;\varphi_G(t) = 0,\;\;\forall\;t \in \mathbb{R}^{+}\;</math>», c.-à-d. la nature <u>plane</u> du mouvement de <math>\,G\,</math> dans le plan de lancement. {{Al|5}}<u>Démonstration de la nature plane du mouvement de</u><math>\;G\;</math><u>dans les</u><math>\;\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\;</math><u>de lancement</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane }}aucune modification avant l'intervention des C.I. <ref name="C.I." /> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\rho^2(t)\,\dot{\varphi}(t) = A\;\exp\! \left( -\dfrac{h\;r_I}{m\;\mathfrak{a}}\;t\right)\!,\;\;\forall\;t \in \mathbb{R}^{+}\;</math>» comme précédemment, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane }}la constante d'intégration se déterminant par utilisation partielle des C.I. <ref name="C.I." /> <math>\,\left\lbrace \begin{array}{l} \theta_G(0) = \theta_0\;&\text{et }&\varphi_G(0) = 0\\ \dot{\theta_G}(0) = \dfrac{V_0}{\mathfrak{a}}\;&\text{et }&\dot{\varphi_G}(0) = 0\end{array}\right\rbrace\;</math><ref name="demi-plan méridien de référence" />{{,}} <ref name="traduction d'une vitesse initiale V0"> La vitesse initiale étant dans le plan de lancement on a <math>\,V_{z_G}(0) = \dot{z_G}(0) = -\mathfrak{a}\;\sin(\theta_0)\;\dot{\theta_G}(0) = V_0\;\sin(\theta_0)\,</math> <math>\big\{</math>en effet <math>\,z_G(t) = \mathfrak{a}\;\cos[ \theta(t)]\,</math> et la vitesse initiale est <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\overrightarrow{OG_0}\,</math> dans le plan vertical <math>\,\downarrow\,</math> de lancement<math>\big\}\,</math> d'où <math>\,\dot{\theta_G}(0) = -\dfrac{V_0}{\mathfrak{a}}\,</math> et <math>\,V_{\varphi_G}(0) = \mathfrak{a}\;\sin(\theta_0)\;\dot{\varphi_G}(0) = 0\;</math> et par suite <math>\,\dot{\varphi_G}(0) = 0</math>.</ref> soit, avec «<math>\;\rho_G(t) = \mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane }}la réécriture partielle des C.I. <ref name="C.I." /> sous la forme «<math>\;\mathfrak{a}^2\;\sin^2(\theta_0)\;\dot{\varphi_G}(0) = A\;</math>» ou «<math>\;0 = A\;</math>» et par suite «<math>\;\rho_G^2(t)\,\dot{\varphi_G}(t) = 0,\;\;\forall\;t \in \mathbb{R}^{+}\;</math>» ou, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane qui s'intègre, }}en simplifiant par <math>\,\rho_G^2(t)\,</math> non identiquement nul, «<math>\;\dot{\varphi_G}(t) = 0,\;\;\forall\;t \in \mathbb{R}^{+}\;</math>» ou enfin, après intégration «<math>\;\varphi_G(t) = cste',\;\;\forall\;t \in \mathbb{R}^{+}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane qui s'intègre, }}on détermine la valeur de <math>\,cste'\,</math> par C.I. <ref name="C.I." /> <math>\,\varphi_G(0) = 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste' = 0</math>, soit finalement <br>{{Al|5}}{{Transparent|Démonstration de la nature plane qui s'intègre, }}«<math>\;\varphi_G(t) = 0,\;\;\forall\;t \in \mathbb{R}^{+}\;</math>», c.-à-d. la nature <u>plane</u> du mouvement de <math>\,G\,</math> dans le plan de lancement. === Dans le cas d’une « liaison pivot » ou d’une « liaison sphérique avec C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b) », nouveau repérage adapté à la nature rotatoire du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté === [[File:Pendule pesant amorti à un degré de liberté - forces extérieures - bis.png|thumb|300px|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\;G\;</math> et représentation des forces extérieures, <math>\,I\,</math> étant le point où la résultante des forces de frottement fluide peut être appliquée]] {{Al|5}}Avec les deux types de liaison, « [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] » ou « [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] <ref name="liaison sphérique" /> avec C.I. <ref name="C.I." /> de lancement <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\,</math> ou <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\;</math>» <ref name="C.I. 1a ou 1b" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, }}le P.P.A. <ref name="P.P.A." /> ayant un mouvement de rotation autour d’un axe horizontal fixe noté <math>\,\Delta_O\;</math><ref> Dans le cas d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] avec C.I. de lancement <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\,</math> ou <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)</math>, la nature plane du mouvement de <math>\,G\,</math> ayant été vérifiée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Dans_le_cas_d'une_liaison_sphérique_et_avec_les_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b),_établissement_de_la_nature_plane_du_mouvement_du_C.D.I._G_du_P.P.A.|dans le cas d'une liaison sphérique et avec les C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), établissement de la nature plane du mouvement du C.D.I. G du P.P.A.]] » plus haut dans ce chapitre et la distance <math>\,[OG]\,</math> étant constante, on en déduit effectivement la nature circulaire du mouvement de <math>\,G</math>.</ref> et orienté par «<math>\;\vec{u}_{\Delta_O}\;</math>» <ref name="identification de l'axe dans le cas d'une liaison sphérique"> Dans le cas d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] avec C.I. de lancement <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\,</math> ou <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)</math>, <math>\,\vec{u}_{\Delta_O}\,</math> s'identifie à <math>\,\vec{u}_{\varphi_G}(t) = \vec{u}_{\varphi_G}(0)</math>.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, }}on repère le C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> dans le plan vertical du mouvement <math>\,zOx</math> <br>{{Al|10}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, on repère le C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}\,</math> }}<math>\big\{</math>avec <math>\,\vec{u}_z\,</math> unitaire vertical <math>\,\downarrow</math>, <math>\,\vec{u}_x\,</math> unitaire horizontal <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\vec{u}_y</math> <math>\,\big(</math>3^ème vecteur unitaire horizontal égal à <br>{{Al|10}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, on repère le C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}\,</math> <math>\color{transparent}{\big\{}</math>}}<math>\,\vec{u}_{\Delta_O}\big)</math> tels que la base cartésienne «<math>\;\left( \vec{u}_z\,,\,\vec{u}_x\,,\, \vec{u}_{\Delta_O} \right)\;</math> soit directe » <ref name="base directe d'un espace orienté à droite"> C.-à-d. utilisant, dans un espace orienté à droite <math>\,\big[</math>voir l'« introduction du paragraphe [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Produit_vectoriel_de_deux_vecteurs|produit vectoriel de deux vecteurs]] (pour la signification d'espace orienté à droite) » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]</math>, la règle de la main droite, voir la description et d'autres règles identiques dans la note « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#cite_note-règle_de_la_main_droite-17|¹⁷]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, l'espace physique étant <br>{{Al|16}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, on repère le C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}\,</math> <math>\color{transparent}{\big\{}</math><math>\,\color{transparent}{\vec{u}_{\Delta_O}\big)}</math> tels que la base cartésienne «<math>\;\color{transparent}{\left( \vec{u}_z\,,\,\vec{u}_x\,,\, \vec{u}_{\Delta_O} \right)}\;</math> soit directe », }}orienté à droite <ref name="orienté à droite" /><math>\big\}</math>, <br>{{Al|10}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, on repère le C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}\,</math> }}par ses coordonnées polaires de pôle <math>\,O\,</math> et d’axe <math>\,\Delta_O\,</math> orienté par <math>\,\vec{u}_{\Delta_O}\,</math> soit, avec la base polaire liée <br>{{Al|10}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, on repère le C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}\,</math> par ses coordonnées polaires }}au C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> dans ce plan <math>\,zOx</math>, «<math>\;\left( \vec{u}_r\,,\,\vec{u}_\theta \right)\;</math>» <ref name="simplification de notation de base polaire"> On simplifie la notation par rapport à celle utilisée jusqu'à présent «<math>\;\vec{u}_r\,</math> à la place de <math>\,\vec{u}_{r_G}\;</math>» et «<math>\;\vec{u}_\theta\,</math> à la place de <math>\,\vec{u}_{\theta_G}\;</math>».</ref>, <br>{{Al|10}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, on repère le C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}\,</math> par ses coordonnées polaires }}«<math>\,\left\lbrace\! r_G = \mathfrak{a}\,,\, \theta_G = \widehat{\left(\! \vec{u}_z\,,\,\overrightarrow{OG} \!\right)} = \widehat{\left( \vec{u}_z\,,\,\vec{u}_r \right)} \!\right\rbrace\,</math>» <ref name="expression du vecteur position de G"> En effet <math>\,\overrightarrow{OG} = \mathfrak{a}\;\vec{u}_r</math>.</ref>, <math>\,\theta_G\;</math><ref name="theta au lieu de thetaG"> Abscisse angulaire du C.D.I. <math>\,G\,</math> du P.P.A. noté «<math>\;\theta\;</math>» par la suite en absence d'ambiguïté <math>\,\ldots</math></ref> est aussi le <br>{{Al|10}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, on repère le C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}\,</math> par ses coordonnées polaires }}paramètre de position angulaire repérant le mouvement du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, }}<math>\,\big[</math>ici nous considérons que le front de la surface latérale du P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="front" /> ne dépend pas du sens de déplacement de ce dernier <ref name="front de surface latérale indépendante du sens de déplacement" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}et par suite que le point d'application <math>\,I\,</math> de la résultante des forces de frottement fluide n'en dépend pas non plus <ref name="unicité de I" /> en étant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}d'une part, « dans le plan vertical du mouvement de <math>\,G\,</math>» et, d'autre part, « sur le support de <math>\,\overrightarrow{OG}\,</math>» <ref name="justification de varphiI = varphiG et de l'hypothèse thetaI = thetaG" /><math>\big]</math>. {{Al|5}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, }}Les actions extérieures agissant sur le P.P.A. <ref name="P.P.A." /> représentées sur le schéma ci-contre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, Les actions extérieures }}sont les seules pour une « [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] <ref name="liaison sphérique" /> avec C.I. <ref name="C.I." /> de lancement <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\,</math> ou <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\;</math>» <ref name="C.I. 1a ou 1b" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, Les actions extérieures sont les seules }}à savoir<math>\;\bullet\;</math>son poids «<math>\;m\,\vec{g} = m\,g\,\vec{u}_z = m\,g\,\cos(\theta)\,\vec{u}_r - m\,g\,\sin(\theta)\,\vec{u}_\theta\;</math>» de moment <br>{{Al|5}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, Les actions extérieures sont les seules à savoir<math>\;\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}vectoriel par rapport à <math>\,O\,</math> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right] = -m\,g\,\mathfrak{a}\, \sin(\theta)\,\vec{u}_{\Delta_O}\;</math>» <ref name="identification de l'axe dans le cas d'une liaison sphérique" />{{,}} <ref name="forces extérieures pour une liaison sphérique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Dans_le_cas_d'une_liaison_sphérique_et_avec_les_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b),_établissement_de_la_nature_plane_du_mouvement_du_C.D.I._G_du_P.P.A.|dans le cas d'une liaison sphérique et avec les C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), établissement de la nature plane du mouvement du C.D.I. G du P.P.A.]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, Les actions extérieures sont les seules à savoir}}<math>\;\bullet\;</math>la réaction de la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] <ref name="liaison sphérique" /> <math>\,\vec{R}(t) = R_r(t)\,\vec{u}_r + R_\theta(t)\,\vec{u}_\theta\;</math><ref name="forces extérieures pour une liaison sphérique" /> appliquée en <math>\,O</math>, de moment vectoriel en <math>\,O\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, Les actions extérieures sont les seules à savoir<math>\;\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction de la liaison sphérique <math>\,\color{transparent}{\vec{R}(t) = R_r(t)\,\vec{u}_r + R_\theta(t)\,\vec{u}_\theta}\;</math> appliquée en <math>\,\color{transparent}{O}</math>, }}«<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = \vec{0}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, Les actions extérieures sont les seules à savoir}}<math>\;\bullet\;</math>la résultante des forces de frottement fluide «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{R}}_{\!\text{flu}}(t) = -h\;\vec{V}_I(t)\;</math>» <ref name="h"> «<math>\;h\;</math>» étant une constante positive <math>\,\big(</math>exprimée en <math>\;kg \cdot s^{-1}\big)\,</math> caractéristique du frottement fluide linéaire.</ref> s’appliquant en <math>\,I\;</math><ref name="résultante des forces de frottement fluide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Dans_le_cas_d'une_liaison_sphérique_et_avec_les_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b),_établissement_de_la_nature_plane_du_mouvement_du_C.D.I._G_du_P.P.A.|dans le cas d'une liaison sphérique et avec les C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), établissement de la nature pland du mouvement du C.D.I. G du P.P.A.]] (actions extérieures) » plus haut dans ce chapitre, le cas d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] ne changeant rien aux forces de frottement fluide.</ref> de vecteur moment en <math>\,O\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, Les actions extérieures sont les seules à savoir<math>\;\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{O,\,\text{flu}}(t) = -H\; \dot{\theta}_G(t)\;\vec{u}_{\varphi_G}(t) - H\; \dot{\varphi}_G(t) \left\lbrace \sin^2\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_z - \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\cos\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\rho_G}(t) \right\rbrace\;</math>» <ref name="H"> «<math>\;H = h\,r_I^2\;</math>».</ref>{{,}} <ref name="résultante des forces de frottement fluide" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, Les actions extérieures sont les seules à savoir<math>\;\color{transparent}{\bullet}\;</math>«<math>\color{transparent}{\overrightarrow{\mathcal{M}}_{O,\,\text{flu}}(t)}</math> }}<math>= -H\; \dot{\theta}_G(t)\;\vec{u}_{\Delta_O} + H\; \dot{\varphi}_G(t) \sin\!\left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\theta_G}(t)\;</math>» <ref name="identification de l'axe dans le cas d'une liaison sphérique" />{{,}} <ref name="retour au repérage polaire du plan zOx"> En effet <math>\,\left\lbrace \begin{array}{r c l}\vec{u}_z \!\!&=&\!\! \cos\!\left[ \theta_G(t) \right] \vec{u}_{r_G}(t) - \sin\!\left[ \theta_G(t) \right] \vec{u}_{\theta_G}(t) \\ \vec{u}_{\rho_G}(t) \!\!&=&\!\! \sin\!\left[ \theta_G(t) \right] \vec{u}_{r_G}(t) + \cos\!\left[ \theta_G(t) \right] \vec{u}_{\theta_G}(t) \end{array} \right\rbrace\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,\left\lbrace \begin{array}{r c l}\sin^2\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_z \!\!&=&\!\! \sin^2\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\cos\!\left[ \theta_G(t) \right] \vec{u}_{r_G}(t) - \sin^3\!\left[ \theta_G(t) \right] \vec{u}_{\theta_G}(t) \\- \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\cos\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\rho_G}(t) \!\!&=&\!\! -\sin^2\!\left[ \theta_G(t) \right]\;\cos\!\left[ \theta_G(t) \right] \vec{u}_{r_G}(t) - \sin\!\left[ \theta_G(t) \right]\;\cos^2\!\left[ \theta_G(t) \right] \vec{u}_{\theta_G}(t) \end{array} \right\rbrace\,</math> dont on déduit <br>«<math>\;\sin^2\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_z - \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\cos\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\rho_G}(t) = - \sin^3\!\left[ \theta_G(t) \right] \vec{u}_{\theta_G}(t) - \sin\!\left[ \theta_G(t) \right]\;\cos^2\!\left[ \theta_G(t) \right] \vec{u}_{\theta_G}(t) = -\sin\!\left[ \theta_G(t) \right]\,\left\lbrace \sin^2\!\left[ \theta_G(t) \right] + \cos^2\!\left[ \theta_G(t) \right] \right\rbrace \vec{u}_{\theta_G}(t) = -\sin\!\left[ \theta_G(t) \right] \vec{u}_{\theta_G}(t)\;</math>».</ref> mais <math>\;\ldots</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, Les actions extérieures sont les seules }}pour une « [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] » il faut ajouter sur le schéma le couple de réaction du pivot <ref name="représentation d'un couple sur un schéma"> Le vecteur moment d'un couple n'est pas représenté par un vecteur pour éviter la confusion avec une force <math>\;\ldots</math></ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Avec les deux types de liaison, Les actions extérieures sont les seules pour une « liaison pivot » il faut ajouter sur le schéma }}de moment vectoriel <math>\,\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \;\perp\,</math> à <math>\,\Delta_O\;</math><ref> Pour le représenter sur le schéma ci-dessus on indiquerait le sens de rotation qu'il engendrerait s'il agissait seul en mettant, à côté de la flèche incurvée précisant le sens, le nom du vecteur moment du couple de récation du pivot ; <br>{{Al|3}}ici ce n'est pas fait car ce couple n'interviendra pas dans l'application du théorème de la dynamique permettant d'obtenir l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du P.P.A. <math>\;\ldots</math></ref>. === Établissement de l’équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté === {{Al|5}}Pour établir l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à un degré de liberté, <math>\,\Delta_O\,</math> étant un axe fixe dans le référentiel d’étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle }}on se propose d'appliquer au P.P.A. <ref name="P.P.A." /> le théorème du moment cinétique scalaire par rapport à l’axe <math>\,\Delta_O</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle on se propose d'appliquer au P.P.A. }}les actions extérieures s'exerçant sur le pendule précisées au paragraphe précédent <ref name="actions extérieures s'exerçant sur un P.P.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Dans_le_cas_d'une_«_liaison_pivot_»_ou_d'une_«_liaison_sphérique_avec_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b)_»,_nouveau_repérage_adapté_à_la_nature_rotatoire_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|dans le cas d'une liaison pivot ou d'une liaison sphérique avec C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), nouveau repérage adapté à la nature rotatoire du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> sont rappelées ci-dessous : <br>{{Al|11}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle on se propose d'appliquer au P.P.A. }}<math>\bullet\;</math>son poids «<math>\;m\,\vec{g} = m\,g\,\vec{u}_z = m\,g\,\cos(\theta)\,\vec{u}_r - m\,g\,\sin(\theta)\,\vec{u}_\theta\;</math>» de moments <br>{{Al|11}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle on se propose d'appliquer au P.P.A. <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}vectoriel par rapport à <math>\,O\,</math> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right] = -m\,g\,\mathfrak{a}\, \sin(\theta)\,\vec{u}_{\Delta_O}\;</math>» <ref name="actions extérieures s'exerçant sur un P.P.A." /> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle on se propose d'appliquer au P.P.A. <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right] = \overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_O} = -m\,g\,\mathfrak{a}\, \sin(\theta)\;</math>» <ref name="détermination directe du moment scalaire du poids"> On peut déterminer directement le moment scalaire du poids, le schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Dans_le_cas_d’une_«_liaison_pivot_»_ou_d’une_«_liaison_sphérique_avec_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b)_»,_nouveau_repérage_adapté_à_la_nature_rotatoire_du_mouvement_du_P.P..A._à_un_degré_de_liberté|dans le cas d'une liaison pivot ou d'une liaison sphérique avec C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), nouveau repérage adapté à la nature rotatoire du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » plus haut dans le chapitre étant fait avec le paramètre de position angulaire <math>\,\theta > 0</math>, on observe que le poids tend à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,-\,</math> avec un bras de levier <math>\,\big(</math>distance orthogonale séparant l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du support de <math>\,m\,\vec{g}\big)\,</math> égal à <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où, <math>\,\theta\,> 0</math>, «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right] = - \Vert m\,\vec{g} \Vert\, d =</math> <math>-m\,g\,\mathfrak{a}\, \sin(\theta)\;</math>» <math>\,\Big\{</math>le résultat est indépendant du signe de <math>\,\theta\,</math> en effet si le schéma était fait avec <math>\,\theta < 0</math>, on observerait que le poids tendrait à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,+\,</math> avec un bras de levier <math>\,d = \mathfrak{a}\, \vert \sin(\theta) \vert = -\mathfrak{a}\, \sin(\theta)\,</math> <math>\,\big[\theta\,</math> étant <math>\,< 0\big]\,</math> d'où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\,\vec{g} \right] = + \Vert m\,\vec{g} \Vert\, d = m\,g\,\left[ -\mathfrak{a}\, \sin(\theta) \right] = -m\,g\,\mathfrak{a}\, \sin(\theta)\;</math>», soit effectivement le même résultat <math>\,\big[</math>avec toutefois une possibilité d'erreur si on oubliait que <math>\,\theta < 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,\vert \sin(\theta) \vert = -\sin(\theta)\big]\Big\}</math>.</ref>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle on se propose d'appliquer au P.P.A. }}<math>\bullet\;</math>la réaction du point <math>\,O\,</math> de la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] sur le pendule lancé dans les C.I. <ref name="C.I." /> <math>\;\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\;</math> ou <math>\;\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)</math>, appliquée en <math>\,O</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle on se propose d'appliquer au P.P.A. <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction du point <math>\,\color{transparent}{O}\,</math> }}<math>\,\vec{R}(t) = R_r(t)\,\vec{u}_r + R_\theta(t)\,\vec{u}_\theta\;</math><ref name="forces extérieures pour une liaison sphérique" />, de moments vectoriel par rapport à <math>\,O\,</math> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = \vec{0}\;</math>», <br>{{Al|16}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle on se propose d'appliquer au P.P.A. <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction du point <math>\,\color{transparent}{O}\,</math> <math>\,\color{transparent}{\vec{R}(t) = R_r(t)\,\vec{u}_r + R_\theta(t)\,\vec{u}_\theta}\;</math>, de moments }}scalaire en <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="justification de la nullité du moment scalaire"> En effet <math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = \overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_O} = 0</math> ; <br>{{Al|3}}on pouvait aussi justifier directment la nullité du moment scalaire en constatant que le support de <math>\,\vec{R}(t)\,</math> rencontre l'axe <math>\,\Delta_O</math>.</ref>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle on se propose d'appliquer au P.P.A. }}ou <math>\bullet\;</math>la réaction de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> de la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le pendule lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I." /> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle on se propose d'appliquer au P.P.A. <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction de l'axe <math>\,\color{transparent}{\Delta_O}\,</math> }}<math>\,\vec{R}(t) = R_r(t)\,\vec{u}_r + R_\theta(t)\,\vec{u}_\theta\;</math><ref name="forces extérieures pour une liaison sphérique" />, de moments vectoriel par rapport à <math>\,O\,</math> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = \vec{0}\;</math>» et <br>{{Al|18}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle on se propose d'appliquer au P.P.A. <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction du point <math>\,\color{transparent}{O}\,</math> <math>\;\color{transparent}{\vec{R}(t) = R_r(t)\,\vec{u}_r + R_\theta(t)\,\vec{u}_\theta}\;</math>, de moments }}scalaire en <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="justification de la nullité du moment scalaire" /> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle on se propose d'appliquer au P.P.A. <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction du point <math>\,\color{transparent}{O}\,</math> }}auquel s'ajoute le couple de réaction du pivot de moment vectoriel <math>\,\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} =</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle on se propose d'appliquer au P.P.A. <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction du point <math>\,\color{transparent}{O}\,</math> auquel s'ajoute }}<math>\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle on se propose d'appliquer au P.P.A. <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction du point <math>\,\color{transparent}{O}\,</math> auquel s'ajoute }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe"> Le couple étant de moment vectoriel <math>\;\perp\;</math> à <math>\;\Delta_O</math>.</ref> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle on se propose d'appliquer au P.P.A. }}<math>\bullet\;</math>la résultante des forces de frottement fluide «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{R}}_{\!\text{flu}}(t) = -h\;\vec{V}_I(t)\;</math>» <ref name="h" /> s’appliquant en <math>\,I\;</math><ref name="résultante des forces de frottement fluide" /> de vecteur moment en <math>\,O\,</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle on se propose d'appliquer au P.P.A. <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{O,\,\text{flu}}(t) = -H\; \dot{\theta}_G(t)\;\vec{u}_{\Delta_O} + H\; \dot{\varphi}_G(t) \sin\!\left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\theta_G}(t)\;</math>» <ref name="H" />{{,}} <ref name="actions extérieures s'exerçant sur un P.P.A." /> et de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle on se propose d'appliquer au P.P.A. <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t) = \overrightarrow{\mathcal{M}}_{O,\,\text{flu}}(t) \cdot \vec{u}_{\Delta_O} = -H\;\dot{\theta}_G(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle }}le théorème du moment cinétique scalaire appliqué au P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O</math>, fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, s'écrit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle le théorème du moment cinétique scalaire }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) + \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] + \mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t) = J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="théorème du moment cinétique scalaire pour un solide en rotation autour d'un axe fixe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Application_à_un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe#Application_au_cas_d'un_«_système_fermé_de_matière_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe_«_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_2|application au cas d'un système fermé de matière en rotation autour d'un axe Δ fixe quelconque dans un référentiel d'étude galiléen]] (du théorème du moment cinétique scalaire) » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> pour un P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à un degré de liberté, <br>{{Al|13}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle le théorème du moment cinétique scalaire <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>«<math>\;\color{transparent}{\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) + \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] + \mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t) = J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t)}\;</math>» pour un }}lié à <math>\;O\;</math> par « [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] » ou <br>{{Al|5}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle le théorème du moment cinétique scalaire <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;-m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right] + 0 - H\;\dot{\theta}(t) = J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="theta au lieu de thetaG" /> avec «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie d'un solide par rapport à un axe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Moments_cinétiques_d'un_système_discret_de_points_matériels#Expression_du_vecteur_moment_cinétique_d’un_système_discret_de_points_matériels_en_rotation_autour_d’un_axe_Δ_fixe_dans_le_référentiel_d'étude,_le_point_origine_de_calcul_étant_un_point_A_de_Δ|expression du vecteur moment cinétique d'un système discret de points matériels en rotation autour d'un axe Δ fixe dans le référentiel d'étude, le point origine de calcul étant un point A de Δ]] (moment d'inertie) » du chap.<math>2</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » «<math>\;J_\Delta = \sum\limits_{i\,=\,1\,..\,N} J_\Delta(M_i) = \sum\limits_{i\,=\,1\,..\,N} m_i\;r_i^2\;</math>» ainsi que <br>{{Al|24}}{{Transparent|voir }}le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Moments_cinétiques_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe#Expression_du_vecteur_moment_cinétique_d’un_«_système_continu_de_matière_en_rotation_autour_d’un_axe_Δ_fixe_»_dans_le_référentiel_d'étude_par_rapport_à_un_point_A_de_Δ|expression du vecteur moment cinétique d'un système continu de matière en rotation autour d'un axe Δ fixe dans le référentiel d'étude par rapport à un point A de Δ]] (moment d'inertie) » du chap.<math>3</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » soit <br>{{Al|3}}dans le cas d'une expansion tridimensionnelle <math>\;\left( \mathcal{V} \right)</math> : «<math>\;J_\Delta = \displaystyle\iiint\limits_{M\,\in\,\left( \mathcal{V} \right)} dJ_\Delta(M) = \displaystyle\iiint\limits_{M\,\in\,\left( \mathcal{V} \right)} dm\;r^2 = \displaystyle\iiint\limits_{M\,\in\,\left( \mathcal{V} \right)} \mu(M)\;r^2\;d \mathcal{V}_M\;</math>» {{Nobr|<math>\;\big[</math>«<math>\;dJ_\Delta(M) = dm\;r^2\;</math>»}} étant le moment d'inertie par rapport à <math>\;(\Delta)\;</math> du pseudo-point <math>\;M\;(dm)\;</math> c.-à-d. de l'élément de matière centré en <math>\;M\;</math> à la distance orthogonale <math>\;r\;</math> de l'axe <math>\;\left( \Delta \right)\;</math> et de volume <math>\;d \mathcal{V}_M\big]</math>, <math>\;\{</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big\}</math>,<br>{{Al|3}}dans le cas d'une expansion surfacique <math>\;\left( \mathcal{S} \right)</math> : «<math>\;J_\Delta = \displaystyle\iint\limits_{M\,\in\,\left( \mathcal{S} \right)} dJ_\Delta(M) = \displaystyle\iint\limits_{M\,\in\,\left( \mathcal{S} \right)} dm\;r^2 = \displaystyle\iint\limits_{M\,\in\,\left( \mathcal{S} \right)} \sigma(M)\;r^2\;d S_M\;</math>» {{Nobr|<math>\;\big[</math>«<math>\;dJ_\Delta(M) = dm\;r^2\;</math>»}} étant le moment d'inertie par rapport à <math>\;(\Delta)\;</math> du pseudo-point <math>\;M\;(dm)\;</math> c.-à-d. de l'élément de matière centré en <math>\;M\;</math> à la distance orthogonale <math>\;r\;</math> de l'axe <math>\;\left( \Delta \right)\;</math> et d'aire <math>\;d S_M\big]</math> <math>\;\{</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big\}</math> et <br>{{Al|3}}dans le cas d'une expansion linéique <math>\;\left( \Gamma \right)</math> : «<math>\;J_\Delta = \displaystyle\int\limits_{M\,\in\,\left( \Gamma \right)} dJ_\Delta(M) = \displaystyle\int\limits_{M\,\in\,\left( \Gamma \right)} dm\;r^2 = \displaystyle\int\limits_{M\,\in\,\left( \Gamma \right)} \lambda(M)\;r^2\;d \mathit{l}_M\;</math>» {{Nobr|<math>\;\big[</math>«<math>\;dJ_\Delta(M) = dm\;r^2\;</math>»}} étant le moment d'inertie par rapport à <math>\;(\Delta)\;</math> du pseudo-point <math>\;M\;(dm)\;</math> c.-à-d. de l'élément de matière centré en <math>\;M\;</math> à la distance orthogonale <math>\;r\;</math> de l'axe <math>\;\left( \Delta \right)\;</math> et de longueur <math>\;d \mathit{l}_M\big]</math> <math>\;\{</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>15</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big\}</math>.</ref>, <br>{{Al|7}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle le théorème du moment cinétique scalaire <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>«<math>\;\color{transparent}{-m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right] + 0 - H\;\dot{\theta}(t) = J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t)}\;</math>» avec }}et «<math>\;\ddot{\theta}(t)\,</math> l'accélération angulaire du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à l'instant <math>\;t\;</math>» ou <br>{{Al|5}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle le théorème du moment cinétique scalaire }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) + \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} + \mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t) = J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="théorème du moment cinétique scalaire pour un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> pour un P.P.A. <ref name="P.P.A." /> lié à <math>\,\Delta_O\,</math> <br>{{Al|13}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle le théorème du moment cinétique scalaire <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>«<math>\;\color{transparent}{\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) + \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} + \mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t) = J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t)}\;</math>» pour }}par [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] ou <br>{{Al|5}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle le théorème du moment cinétique scalaire <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;-m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right] + 0 + 0 - H\;\dot{\theta}(t) = J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="theta au lieu de thetaG" /> avec «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie d'un solide par rapport à un axe" /> <br>{{Al|7}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle le théorème du moment cinétique scalaire <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>«<math>\;\color{transparent}{-m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right] + 0 + 0 - H\;\dot{\theta}(t) = J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t)}\;</math>» avec }}et «<math>\;\ddot{\theta}(t)\,</math> l'accélération angulaire du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à la date <math>\,t\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle }}d'où la même équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du mouvement du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en rotation autour de <math>\,\Delta_O\,</math> pour un P.P.A. <ref name="P.P.A." /> lié à <math>\,\Delta_O\,</math> par « [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] » et <br>{{Al|12}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle soit la même équation différentielle en <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> du mouvement du P.P.A. en rotation autour de <math>\,\color{transparent}{\Delta_O}\,</math> }}pour un P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à un degré de liberté en [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] à <math>\,O</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle }}en normalisant l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du mouvement du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> nous obtenons «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{h\;\mathit{l}^{\,2}}{m\;\mathit{l}^{\,2}}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathit{l}}{m\; \mathit{l}^{\,2}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="même équation que celle d'un P.P.S.A."> Équation différentielle analogue à celle du P.P.S.A « [[w:Pendule_simple|pendule pesant simple]] (amorti) » laquelle a été déterminée par application de la r.f.d.n. projetée sur <math>\,\vec{u}_\theta</math> <math>\,\big[</math>revoir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#En_complément,_mise_en_équation_du_«_P.P.S.A._»|en complément, mise en équation du P.P.S.A.]] » du chap.<math>12</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> ; <br>{{Al|3}}ce n’est pas une surprise, le P.P.S.(A.) pouvant être considéré comme un cas particulier du P.P.(A.), dans le cas où le P.P.S.(A.) est construit à partir d’une tige rigide sans masse ou à partir d’un fil idéal restant tendu, <math>\;\big[</math>le moment d’inertie du P.P.S.(A.) relativement à l’axe <math>\;\Delta_O\;</math> étant celui du point matériel <math>\;M\;</math> de masse <math>\;m\;</math> situé à la distance <math>\;\mathit{l}\;</math> de <math>\;O\;</math> soit «<math>\;J_{\Delta_O} = m\; \mathit{l}^{\,2}\;</math>», le C.D.I. <math>\;G\;</math> étant confondu avec <math>\;M\;</math> soit «<math>\;\mathfrak{a} = \mathit{l}\;</math>» et le point <math>\;I\;</math> confondu avec <math>\;G\;</math> d'où «<math>\;H = h\;r_I^2 = h\;\mathit{l}^{\,2}\;</math>»<math>\big]\;</math> l’équation différentielle en <math>\;\theta(t)\;</math> du mouvement du P.P.A. appliqué au P.P.S.A. s'écrit alors <center>«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{h\;\mathit{l}^{\,2}}{m\;\mathit{l}^{\,2}}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathit{l}}{m\; \mathit{l}^{\,2}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>»</center> {{Al|3}}ce qui donne bien, après simplification évidente, «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{h}{m}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{g}{\mathit{l}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>».</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle }}une équation différentielle non linéaire du 2^ème ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> avec terme linéaire du 1^er ordre, caractérisant un <u>oscillateur non linéaire amorti</u> <ref name="définition non énergétique d'un oscillateur non linéaire"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Petits_mouvements_au_voisinage_d'un_équilibre_stable#1ère_définition_d'un_oscillateur_«_non_linéaire_»_au_voisinage_d'un_équilibre_stable|1^ère définition d'un oscillateur non linéaire au voisinage d'un équilibre stable]] » du chap.<math>19</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> dans la mesure où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Pour établir l'équation différentielle une équation différentielle non linéaire du 2^ème ordre en <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> avec terme linéaire du 1^er ordre, caractérisant un oscillateur }}le mouvement reste pseudo-oscillatoire. === Absence de solution analytique dans le cas général d’amplitudes initiales non petites === {{Al|5}}Comme l’équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> est de même nature que celle du « P.P.S.A. <ref name="P.P.S.A." /> » <ref name="même équation que celle d'un P.P.S.A." />, on peut faire les mêmes commentaires <ref name="absence de solution analytique pour le P.P.S.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Absence_de_solution_analytique_de_l'équation_différentielle_du_P.P.S.|absence de solution analytique de l'équation différentielle du P.P.S.]] (dans le cas général) » du chap.<math>12</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, rappelés ci-après : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Comme }}l’équation différentielle non linéaire du 2^ème ordre en <math>\,f(x)</math> <math>\,\big(</math>sans terme du 1^er ordre<math>\big)</math> <math>\,\dfrac{d^2 f}{dx^2}(x) + k\;\sin\! \left[ f(x) \right] = 0\,</math> n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique"> On appelle « [[w:Solution_de_forme_fermée|solution analytique]] » d'une équation différentielle, une expression mathématique <math>\,\big(</math>souvent dite « formule explicite »<math>\big)\,</math> pouvant s'obtenir par une combinaison d'opérations et de [[w:Fonction_de_référence|fonctions de référence]] <math>\,\big(</math>c.-à-d. fonctions affines, puissances, trigonométriques et exponentielles ainsi que leurs fonctions inverses sur un domaine de définition restreint pour lequel il y a bijection ainsi que certaines solutions d'équations différentielles dites de référence<math>\big)</math>, les opérations étant l'addition, la soustraction, la multiplication, la division et l'extraction de racines.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Comme }}l'ajout d’un terme supplémentaire d’amortissement du 1^er ordre, fut-il linéaire «<math>\;\propto\,\dfrac{d f}{dx}(x)\;</math>», dans une telle équation différentielle ne peut pas rendre cette dernière soluble analytiquement <ref name="analytique" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Comme }}l'équation différentielle non linéaire du 2^ème ordre en <math>\,f(x)</math> <math>\,\big(</math>avec terme linéaire du 1^er ordre<math>\big)\;</math> n'a donc <u>pas de résolution analytique exacte</u> <ref name="analytique" />, la seule possibilité étant une résolution approchée <br>{{Al|5}}{{Transparent|Comme l'équation différentielle non linéaire du 2^ème ordre en <math>\,\color{transparent}{f(x)}</math> <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>avec terme linéaire du 1^er ordre<math>\color{transparent}{\big)}\;</math> }}<math>\bullet\;</math>analytique <ref name="analytique" /> dans le cas d’« élongations angulaires petites <ref name="élongations angulaires petites (ou non)"> On devrait dire « élongations angulaires petites <math>\,\big(</math>ou non<math>\big)\,</math> <u>en valeur absolue</u> » mais personne ne le fait par abus de langage.</ref> » <br>{{Al|11}}{{Transparent|Comme l'équation différentielle non linéaire du 2^ème ordre en <math>\,\color{transparent}{f(x)}</math> <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>avec terme linéaire du 1^er ordre<math>\color{transparent}{\big)}\;</math> <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>analytique }}<math>\,\big[</math>voir ci-dessous à la fin de ce paragraphe<math>\big]\,</math> ou <br>{{Al|5}}{{Transparent|Comme l'équation différentielle non linéaire du 2^ème ordre en <math>\,\color{transparent}{f(x)}</math> <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>avec terme linéaire du 1^er ordre<math>\color{transparent}{\big)}\;</math> }}<math>\bullet\;</math>numérique dans le cas général d’« élongations angulaires non petites <ref name="élongations angulaires petites (ou non)" /> » <ref> Résolution analogue à celle présentée au paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#En_complément,_«_résolution_numérique_»_de_l'équation_différentielle_d'un_P.P.S._dans_les_C.I._«_1a_»_puis_«_1b_»,_tracé_des_diagrammes_horaires_de_position_et_de_vitesse_ainsi_que_celui_des_portraits_de_phase_correspondant|en complément, résolution numérique de l'équation différentielle d'un P.P.S. dans les C.I. 1a puis 1b, tracé des diagrammes horaires de position et de vitesse ainsi que celui des portraits de phase correspondant]] » du chap.<math>12</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » nécessitant néanmoins d'ajouter le terme d'amortissement <math>\;\ldots</math></ref>. {{Al|5}}<u>Résolution analytique approchée de l'équation différentielle du P.P.A.</u> <ref name="P.P.A." /> <u>dans le cas des petites élongations angulaires</u> <ref name="élongations angulaires petites (ou non)" /> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Résolution analytique approchée }}Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » <ref name="élongations angulaires petites (ou non)" /> est de lancer <ref> Que la liaison avec <math>\,O\,</math> ou <math>\,\Delta_O\,</math> soit [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|sphérique]] ou [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]].</ref> le P.P.A. <ref name="P.P.A." /> avec les C.I. <ref name="C.I." /> de lancement particulières suivantes : <br>{{Al|12}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » est de }}« on écarte le P.P.A. <ref name="P.P.A." /> de sa position d’équilibre stable <ref name="équilibre stable" /> de <math>\,\theta_0\,</math> et <br>{{Al|12}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » est de « }}on le lâche sans vitesse initiale <ref name="(C.I.a)"> Conditions notées «<math>\;\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\;</math>» dans le cas où la liaison avec <math>\,O\,</math> est [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|sphérique]].</ref> » avec la valeur absolue de <math>\,\theta_0\,</math> petite <br>{{Al|20}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » est de « on le lâche sans vitesse initiale » avec }}c.-à-d. <math>\,\vert \theta_0 \vert \ll 1\;</math><ref name="en radians"> À condition que l'angle soit exprimé en <math>\,rad</math>.</ref>, <br>{{Al|12}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » est de « }}l'absence de vitesse angulaire initiale <ref name="signification d'absence de vitesse initiale"> C.-à-d. «<math>\;\dot{\theta}_0 = 0\;</math>».</ref> <math>\Rightarrow</math> <math>\,\vert \theta(t) \vert\,</math> ne dépassera pas <math>\,\vert \theta_0 \vert\;</math><ref name="nature pseudo-oscillatoire de petite amplitude initiale"> La démonstration de la nature pseudo-oscillatoire de pseudo-amplitude <math>\;\searrow\,</math> à partir de <math>\,\vert \theta_0 \vert\,</math> que le P.P. soit en liaison [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|sphérique]] avec <math>\,O\,</math> ou en liaison [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] avec <math>\,\Delta_O\,</math> lancé sans vitesse initiale <math>\,\big(</math>avec <math>\,\vert \theta_0 \vert\,</math> non nécessairement petit<math>\big)\,</math> est analogue à celle exposée dans le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Mouvement_conservatif#Exemple_du_pendule_pesant_simple_à_un_degré_de_liberté_«_P.P.S._lancé_dans_les_C.I._(1b_U_1a)_»|exemple du pendule pesant simple à un degré de liberté “P.P.S. lancé dans les C.I. (1b U 1a)”]] (remarque) » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|21}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » est de « l'absence de vitesse angulaire initiale <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}soit «<math>\,\vert \theta(t) \vert \ll 1\;\;\forall\;t\;</math><ref name="en radians" /> » ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être }}dans le cadre des « petites élongations angulaires » <ref name="élongations angulaires petites (ou non)" /> on a <math>\,\vert \theta(t) \vert \ll\;\;\forall\; t\;</math><ref name="en radians" /> <math>\Rightarrow</math> possibilité de D.L. <ref name="D.L."> Développement Limité.</ref> à l'ordre un en <math>\,\theta\,</math> de <math>\,\sin(\theta)\,</math> au <br>{{Al|19}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » on a <math>\,\color{transparent}{\vert \theta(t) \vert \ll\;\;\forall\; t}\;</math> <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}voisinage de <math>\,0\;</math><ref name="D.L. à l'ordre un"> Voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Théorème_de_Taylor-Young_et_développements_limités_d'une_fonction_d'une_variable_au_voisinage_d'une_de_ses_valeurs#Développements_limités_à_l'ordre_un_de_quelques_fonctions_usuelles|D.L. à l'ordre un de quelques fonctions usuelles]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref> selon <math>\;\sin(\theta) \simeq \theta\;</math><ref name="en radians" /> à l'ordre un en <math>\;\theta\;</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » on a <math>\,\color{transparent}{\vert \theta(t) \vert \ll\;\;\forall\; t}\;</math> }}d'où linéarisation de l'équation différentielle suivie par le P.P.A. <ref name="P.P.A." /> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » on a <math>\,\color{transparent}{\vert \theta(t) \vert \ll\;\;\forall\; t}\;</math> }}selon «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_O}}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\theta(t) \simeq 0\;</math>» c.-à-d. une <br>{{Al|19}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » on a <math>\,\color{transparent}{\vert \theta(t) \vert \ll\;\;\forall\; t}\;</math> selon }}équation différentielle linéaire à cœfficients constants du <br>{{Al|19}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » on a <math>\,\color{transparent}{\vert \theta(t) \vert \ll\;\;\forall\; t}\;</math> selon }}2^ème ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> avec terme du 1^er ordre et homogène. <br>{{Al|14}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » }}Le P.P.A. <ref name="P.P.A." /> est donc <u>linéarisable</u> dans le cas des « petites élongations angulaires » <ref name="élongations angulaires petites (ou non)" /> <br>{{Al|9}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » }}et, dans cette hypothèse, devient un « <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math>amorti<math>\big)\;</math>» de pulsation propre <br>{{Al|14}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » }}«<math>\;\omega_0 = \sqrt{\dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}}\;</math>» « <u>pulsation</u><math>\;\big(</math>propre<math>\big)\;</math><u>des petites élongations angulaires</u> » <ref name="élongations angulaires petites (ou non)" /> <br>{{Al|9}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » }}et de facteur d’amortissement «<math>\;\sigma\;</math>» tel que «<math>\;\dfrac{H}{J_{\Delta_O}} = 2\,\sigma\,\omega_0\;</math>» ou «<math>\;\sigma = \dfrac{H}{2\;J_{\Delta_O}\;\omega_0}</math> <br>{{Al|10}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » et de facteur d’amortissement «<math>\;\color{transparent}{\sigma}\;</math>» tel que «<math>\;\color{transparent}{J_{\Delta_O} = 2\;\sigma\;\omega_0}\;</math>» ou «<math>\;\color{transparent}{\sigma}</math> }}<math>= \dfrac{H}{2\;\sqrt{m\,g\,\mathfrak{a}\,J_{\Delta_O}}}\;</math>», <br>{{Al|14}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » }}<math>\bullet\;</math>pour «<math>\;\sigma < 1\;</math>» le régime est pseudo-périodique de pseudo-pulsation des petites <br>{{Al|14}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>pour «<math>\;\color{transparent}{\sigma < 1}\;</math>» }}oscillations «<math>\;\omega = \omega_0\;\sqrt{1 - \sigma^2}\;</math>», l’amortissement étant exponentiel <br>{{Al|14}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>pour «<math>\;\color{transparent}{\sigma < 1}\;</math>» }}en «<math>\;\exp\! \left( -\sigma\;\omega_0\;t \right)\;</math>» <ref name="même forme"> De même forme que celle établie au paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#σ_<_1_(faible_amortissement)_et_réponse_pseudo-périodique|σ < 1 (faible amortissement) et réponse pseudo-périodique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|14}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » }}<math>\bullet\;</math>pour «<math>\;\sigma = 1\;</math>» le régime est apériodique critique <ref name="même forme - bis"> De même forme que celle établie au paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#σ_=_1_(amortissement_critique)_et_réponse_apériodique_critique|σ = 1 (amortissement critique) et réponse apériodique critique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref> et <br>{{Al|14}}{{Transparent|Résolution analytique approchée Le plus simple pour être dans le cadre des « petites élongations angulaires » }}<math>\bullet\;</math>pour «<math>\;\sigma > 1\;</math>» le régime est apériodique <ref name="même forme - ter"> De même forme que celle établie au paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#σ_>_1_(fort_amortissement)_et_réponse_apériodique|σ > 1 (fort amortissement) et réponse apériodique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. == Rappel du cas particulier : pendule pesant simple (non amorti à un degré de liberté) utilisant une tige rigide sans masse, équilibres du pendule et notion de stabilité, généralisation aux équilibres d'un solide en rotation autour d’un axe fixe ainsi que de leur stabilité ou instabilité == === Rappel du cas particulier : P.P.S.(N.A. à un degré de liberté) construit à partir d’une tige rigide sans masse et un point matériel M === {{Al|5}}Revoir le chap.<math>12</math> « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple|Loi de la quantité de mouvement : Pendule pesant simple]] » de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dans lequel on trouve, dans les paragraphes successifs suivants : * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Pendule_pesant,_description_et_cas_limite_du_pendule_pesant_simple_(P.P.S.),_conditions_initiales_induisant_un_mouvement_à_un_degré_de_liberté_avec_établissement_de_la_nature_plane_du_mouvement|la description et le cas limite du pendule pesant simple (P.P.S.), les conditions initiales induisant un mouvement à un degré de liberté avec établissement de la nature plane du mouvement]] », * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Choix,_pour_un_P.P.S._à_un_degré_de_liberté,_du_repérage_polaire_de_pôle_«_le_centre_du_mouvement_circulaire_du_P.P.S._»|le choix, pour un P.P.S. à un degré de liberté, du repérage polaire de pôle “le centre du mouvement circulaire du P.P.S.”]] », * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Mise_en_équation_d'un_P.P.S._à_un_degré_de_liberté_par_application_de_la_r.f.d.n.,_équation_différentielle_non_linéaire_du_2ème_ordre,_absence_de_solution_analytique_(d'où_nécessité_de_résolution_numérique_dans_le_cas_général)|la mise en équation d'un P.P.S. à un degré de liberté par application de la r.f.d.n. donnant une équation différentielle non linéaire du 2^ème ordre avec absence de solution analytique (et la nécessité d'une résolution numérique dans le cas général)]] » <span style="color:#ff0000;"><math>\color{red}{\big(}</math>seul ce paragraphe sera repris en utilisant le théorème du moment cinétique scalaire, tout ce qui précède et tout ce qui suit, restant inchangés<math>\color{red}{\big)}</math></span>, * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Approximation_linéaire,_dans_le_cadre_des_«_petites_élongations_angulaires_»,_du_mouvement_d'un_P.P.S._à_un_degré_de_liberté,_analogie_avec_l'oscillateur_harmonique,_période_des_«_petites_élongations_angulaires_»|l'approximation linéaire, dans le cadre des “petites élongations angulaires”, du mouvement d'un P.P.S. à un degré de liberté, son analogie avec l'oscillateur harmonique et la période des “petites élongations angulaires”]] », * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Détermination_de_l'équation_du_portrait_de_phase_(«_intégrale_1ère_du_mouvement_»)_dans_le_cas_général_du_P.P.S._à_un_degré_de_liberté|la détermination de l'équation du portrait de phase (“intégrale 1^ère du mouvement”) dans le cas général du P.P.S. à un degré de liberté]] », * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Portraits_de_phase_dans_le_cas_général_«_d'oscillations_ou_de_mouvement_révolutif_»_d'un_P.P.S._à_un_degré_de_liberté_et_dans_le_cas_particulier_des_petites_élongations_angulaires|les portraits de phase dans le cas général “d'oscillations ou de mouvement révolutif” d'un P.P.S. à un degré de liberté et dans le cas particuliers des petites élongations angulaires]] », * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#En_complément,_absence_d'isochronisme_du_P.P.S.(N.A.)_à_un_degré_de_liberté,_expression_empirique_de_«_de_Borda_»_de_la_période_dans_le_cas_général_d’oscillations|en complément, l'absence d'isochronisme du P.P.S.(N.A.) à un degré de liberté et l'expression empirique de “de Borda” de la période dans le cas général d'oscillations]] » et * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#En_complément,_«_résolution_numérique_»_de_l'équation_différentielle_d'un_P.P.S._dans_les_C.I._«_1a_»_puis_«_1b_»,_tracé_des_diagrammes_horaires_de_position_et_de_vitesse_ainsi_que_celui_des_portraits_de_phase_correspondant|en complément, la “résolution numérique” d'un P.P.S. dans les C.I. “1a” puis “1b” avec le tracé des diagrammes horaires de position et de vitesse ainsi que celui des portraits de phase correspondant]] ». {{Al|5}}Revoir aussi le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Mouvement_conservatif#Étude_énergétique_d'un_point_matériel_en_mouvement_conservatif_à_une_dimension_sur_l'exemple_du_pendule_pesant_simple_à_un_degré_de_liberté,_diagramme_d'énergies_potentielle_et_mécanique,_présence_de_deux_murs_d'énergie_potentielle_(positions_de_vitesse_nulle)_et_trajectoire_(cinétiquement)_bornée,_mouvement_périodique_et_expression_de_la_période_sous_forme_intégrale,_absence_d'isochronisme_des_oscillations|Étude énergétique d'un point matériel en mouvement conservatif à une dimension sur l'exemple du pendule pesant simple à un degré de liberté, diagramme d'énergies potentielle et mécanique, présence de deux murs d'énergie potentielle (positions de vitesse nulle) et trajectoire (cinétiquement) bornée, mouvement périodique et expression de la période sous forme intégrale, absence d'isochronisme des oscillations]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dans lequel on trouve, dans les sous paragraphes successifs suivants : * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Mouvement_conservatif#Écriture_de_l'intégrale_1ère_énergétique_du_pendule_pesant_simple_(P.P.S.)_à_un_degré_de_liberté|l'écriture de l'intégrale 1^ère énergétique du pendule pesant simple (P.P.S.) à un degré de liberté]] », * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Mouvement_conservatif#Diagramme_d'énergies_potentielle_et_mécanique_du_P.P.S._à_un_degré_de_liberté_lancé_dans_les_conditions_initiales_(C.I.)_«_1a_»|le diagramme d'énergies potentielle et mécanique du P.P.S. à un degré de liberté lancé dans les conditions initiales (C.I.) “1a”]] », * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Mouvement_conservatif#Présence_de_deux_murs_d'énergie_potentielle_:_trajectoire_du_point_matériel_cinétiquement_bornée_2|la présence de deux murs d'énergie potentielle ayant pour conséquence le caractère “cinétiquement borné” de la trajectoire du point matériel]] », * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Mouvement_conservatif#Détermination_de_la_nature_oscillatoire_du_mouvement_du_P.P.S._à_un_degré_de_liberté_«_par_diagramme_énergétique_»|la détermination de la nature oscillatoire du mouvement du P.P.S. à un degré de liberté “par diagramme énergétique”]] », * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Mouvement_conservatif#Détermination_de_la_nature_périodique_du_mouvement_du_P.P.S._à_un_degré_de_liberté_et_expression_de_la_période_sous_forme_intégrale|la détermination de la nature périodique du mouvement du P.P.S. à un degré de liberté et l'expression de la période sous forme intégrale]] », * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Mouvement_conservatif#Absence_d'isochronisme_des_oscillations|l'absence d'isochronisme des oscillations]] », * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Mouvement_conservatif#En_complément_:_évaluation_numérique_de_la_période_et_comparaison_avec_l'«_expression_approchée_de_de_Borda_»|en complément, l'évaluation numérique de la période et la comparaison avec l'“expression approchée de de Borda”]] », * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Mouvement_conservatif#Retour_sur_les_petites_élongations_angulaires_d'un_P.P.S._à_un_degré_de_liberté_en_termes_de_diagramme_d'énergies_potentielle_et_mécanique|le retour sur les petites élongations angulaires d'un P.P.S. à un degré de liberté en terme de diagramme d'énergies potentielle et mécanique]] » et * « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Mouvement_conservatif#Étude_d'un_P.P.S._à_un_degré_de_liberté_lancé_dans_des_C.I._«_1b_»_par_diagramme_d'énergies_potentielle_et_mécanique|l'étude énergétique d'un P.P.S. à un degré de liberté dans des C.I. “1b” par diagramme d'énergies potentielle et mécanique]] » permettant de distinguer <br><math>\;\succ\;</math>« [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Mouvement_conservatif#Condition(s)_pour_que_le_mouvement_du_P.P.S.N.A._soit_oscillatoire|les conditions pour que le mouvement du P.P.S.N.A. soit oscillatoire]] », <br><math>\;\succ\;</math>« [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Mouvement_conservatif#Condition(s)_pour_que_le_mouvement_du_P.P.S.N.A._soit_révolutif|les conditions pour que le mouvement du P.P.S.N.A. soit révolutif]] » et <br><math>\;\succ\;</math>« [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Mouvement_conservatif#Condition(s)_pour_que_le_mouvement_du_P.P.S.N.A._s'arrête_en_une_position_d'équilibre_instable|les conditions pour que le mouvement du P.P.S.N.A. s'arrête en une position d'équilibre instable]] ». {{Al|5}}<u>Remarque</u> : tout ayant été traité, nous ne reprendrons que la mise en équation que l’on fait ici par application du théorème du moment cinétique scalaire à <math>\;M</math>. === Détermination de l’équation différentielle en θ(t) par application du théorème du moment cinétique scalaire au point matériel M dans le cas d’un P.P.S.N.A. === [[File:Pendule pesant simple non amorti - repérage et forces appliquées.png|thumb|300px|Schéma d'un P.P.S.N.A. <ref name="P.P.S.N.A."> Pendule Pesant Simple Non Amorti.</ref> à un degré de liberté avec repérage cylindro-polaire d'axe <math>\,\Delta_O\;</math><ref name="repérage cylindro-polaire"> Voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Divers_repérages_d'un_point_dans_l'espace#Repérage_cylindro-polaire_(ou_cylindrique)_d'un_point_dans_l'espace|repérage cylindro-polaire (ou cylindrique) d'un point dans l'espace]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>{{,}} <ref name="orientation de l'axe DeltaO"> L'axe <math>\,\Delta_O\,</math> étant orienté par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_{\!\Delta_O}\,</math> sortant du plan de la figure.</ref> et représentation des deux forces s'appliquant sur le point <math>\,M\,</math> du P.P.S.N.A. <ref name="P.P.S.N.A." />]] {{Al|5}}Le mouvement se faisant dans le plan vertical contenant initialement la tige, plus exactement, en notant <math>\,\Delta_O\,</math> l'axe passant par <math>\,O\,</math> et <math>\,\perp\,</math> au plan vertical initial, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le mouvement se faisant dans le plan vertical contenant initialement la tige, plus exactement, }}le mouvement de <math>\,M\,</math> est circulaire d'axe <math>\,\Delta_O</math> ; <br>{{Al|5}}il devient alors intéressant d'utiliser le repérage cylindro-polaire d'axe <math>\,\Delta_O\;</math><ref name="repérage cylindro-polaire" />{{,}} <ref name="orientation de l'axe DeltaO" /> pour repérer le point <math>\,M\,</math> ou, le repérage se faisant dans un plan, <br>{{Al|5}}{{Transparent|il devient alors intéressant }}d'utiliser le repérage polaire de pôle <math>\,O\,</math> et d'axe polaire <math>\,\overrightarrow{Oz}</math> <math>\,\big(</math>le plan étant orienté par <math>\,\vec{u}_{\Delta_O}\big)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|il devient alors intéressant d'utiliser }}les coordonnées polaires de <math>\,M\,</math> étant «<math>\;\left( \mathit{l}\,,\, \theta \right)\;</math>» <ref name="définition de l"> <math>\,\mathit{l}\,</math> étant la longueur de la tige.</ref> et la base polaire du plan liée au point <math>\,M\,</math> «<math>\;\left( \vec{u}_r\,,\, \vec{u}_\theta \right)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|il devient alors intéressant d'utiliser les coordonnées polaires de <math>\,\color{transparent}{M}\,</math> étant «<math>\;\color{transparent}{\left( \mathit{l}\,,\right.}</math> }}<math>\theta\,</math> définissant l'angle polaire de <math>\,M</math>, angle orienté par <math>\,\vec{u}_{\!\Delta_O}</math>, voir ci-contre. {{Al|5}}Nous nous proposons de retrouver l'équation différentielle du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> du P.P.S.N.A. <ref name="P.P.S.N.A." /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Nous nous proposons de retrouver }}en appliquant le théorème du moment cinétique scalaire au point <math>\;M\;</math> dans le référentiel d'étude galiléen <math>\;\mathcal{R}\;</math><ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un point en mouvement circulaire"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Théorèmes_des_moments_cinétiques_relativement_à_un_point_ou_un_axe_fixes#Cas_où_M_décrit,_dans_le_référentiel_d'étude_galiléen,_un_mouvement_circulaire_d'axe_«_Δ_»,_de_rayon_R_et_de_vitesse_angulaire_instantanée_donnée|Cas om M décrit, dans le référentiel d'étude galiléen, un mouvement circulaire d'axe Δ, de rayon R et de vitesse angulaire instantanée donnée]] » du chap.<math>5</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Nous nous proposons de retrouver }}le point <math>\,M\,</math> est soumis à deux forces : <math>\bullet\;</math>une force à distance « le poids de <math>\,M\;</math>» «<math>\;m\;\vec{g}\;</math>» de moment scalaire par rapport à l'axe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Nous nous proposons de retrouver le point <math>\,\color{transparent}{M}\,</math> est soumis à deux forces : <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>une force à distance }}de rotation <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = \left[ \overrightarrow{OM}(t) \wedge m\;\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_O}</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Nous nous proposons de retrouver le point <math>\,\color{transparent}{M}\,</math> est soumis à deux forces : <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>une force à distance de rotation <math>\,\color{transparent}{\Delta_O}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathit{l}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="détermination directe du moment scalaire du poids" />{{,}} <ref> Il convient bien sûr de remplacer <math>\,\mathfrak{a} = \Big\Vert \overrightarrow{OG}(t) \Big\Vert\,</math> par <math>\,\mathit{l} = \Big\Vert \overrightarrow{OM}(t) \Big\Vert\,</math> dès qu'on applique les résultats d'un P.P.N.A. à un P.P.S.N.A..</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Nous nous proposons de retrouver le point <math>\,\color{transparent}{M}\,</math> est soumis à deux forces : }}<math>\bullet\;</math>une force de contact « la tension de la tige » «<math>\;\vec{T}(t)\;</math>» <ref> A priori centripète mais pouvant être centrifuge pour des élongations angulaires obtus.</ref> de moment scalaire par rapport <br>{{Al|5}}{{Transparent|Nous nous proposons de retrouver le point <math>\,\color{transparent}{M}\,</math> est soumis à deux forces : <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>une force de contact }}à l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{T} \right](t) = \left[ \overrightarrow{OM}(t) \wedge \vec{T}(t) \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_O} = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire de T"> Le moment vectoriel de <math>\,T(t)\,</math> relativement à <math>\,O\,</math> étant nul car <math>\,\vec{T}(t)\,</math> central <math>\,\big(</math>c.-à-d. colinéaire à <math>\,\overrightarrow{OM}(t)\big)\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\! \left[ \vec{T} \right](t) = \overrightarrow{OM}(t) \wedge \vec{T}(t) = \vec{0}\,</math> d'où <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{T} \right](t) = \overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\! \left[ \vec{T} \right](t) \cdot \vec{u}_{\Delta_O} = 0</math> ; <br>{{Al|3}}on peut aussi déterminer directement le moment scalaire de <math>\,T(t)\,</math> relativement à <math>\,\Delta_O\,</math> en effet, dans la mesure où la direction de <math>\,T(t)\,</math> coupe l’axe <math>\,\Delta_O</math>, le bras de levier de <math>\,T(t)\,</math> est nul et par suite la valeur absolue du moment scalaire s'obtenant en multipliant <math>\,\Vert \vec{T}(t) \Vert\,</math> finie par le bras de levier de la force, on en déduit <math>\,\Big\vert \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{T} \right](t) \Big\vert = 0\,</math> d'où <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{T} \right](t) = 0</math>.</ref> ; <br>{{Al|5}}l'application du théorème du moment cinétique scalaire au P.P.S.N.A. <ref name="P.P.S.N.A." /> en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O</math>, fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un point en mouvement circulaire" />, conduit à <br>{{Al|5}}{{Transparent|l'application du théorème du moment cinétique scalaire }}«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) + \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{T}(t) \right] = J_{\Delta_O}(M)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>», avec <math>\,\ddot{\theta}(t)\,</math> accélération angulaire à la daue <math>\,t\,</math> et <br>{{Al|2}}{{Transparent|l'application du théorème du moment cinétique scalaire «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) + \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{T}(t) \right] = J_{\Delta_O}(M)\;\ddot{\theta}(t)}\;</math>», avec }}«<math>\;J_{\Delta_O}(M) = m\;\mathit{l}^{,2}\,</math> le moment d'inertie de <math>\,M\,\left( m \right)\,</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|l'application du théorème du moment cinétique scalaire «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) + \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{T}(t) \right] = J_{\Delta_O}(M)\;\ddot{\theta}(t)}\;</math>», avec «<math>\;\color{transparent}{J_{\Delta_O}(M) = m\;\mathit{l}^{,2}}\,</math> }}relativement à <math>\,\Delta_O\;</math>» <math>\,\big(</math>où <math>\,\mathit{l}\,</math> est la longueur de la tige<math>\big)</math>, soit encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|l'application du théorème du moment cinétique scalaire }}«<math>\;-m\;g\;\mathit{l}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right] + 0 = m\;\mathit{l}^{\,2}\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» et finalement, en normalisant l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|l'application du théorème du moment cinétique scalaire }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{g}{\mathit{l}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>» c.-à-d. une équation différentielle non linéaire du 2^ème ordre en <math>\,\theta(t)</math>, sans terme du 1^er ordre, homogène <br>{{Al|7}}{{Transparent|l'application du théorème du moment cinétique scalaire «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + g\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>» c.-à-d. }}caractérisant un <u>oscillateur non linéaire</u> <ref name="définition non énergétique d'un oscillateur non linéaire" /> dans la mesure où le mouvement reste oscillatoire. === Rappel : équilibres du pendule pesant simple et notion de stabilité === {{Al|5}}Revoir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Équilibre_et_stabilité#Définition_de_positions_d'équilibre_sur_l'exemple_du_pendule_pesant_simple_à_un_degré_de_liberté_(P.P.S.),_distinction_entre_«_forces_(ou_composantes_de_forces)_causes_de_modification_du_mouvement_»_et_«_forces_(ou_composantes_de_forces)_sans_influence_sur_une_modification_éventuelle_du_mouvement_»|définition de positions d'équilibre sur l'exemple du pendule pesant simple à un degré de liberté (P.P.S.), distinction entre “forces (ou composantes de forces) causes de modification du mouvement” et “forces (ou composantes de forces) sans influence sur une modification éventuelle du mouvement”]] » du chap.<math>18</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » pour la notion d'équilibre d'un P.P.S. <ref name="P.P.S."> [[w:Pendule_simple|Pendule Pesant Simple]].</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Revoir }}le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Équilibre_et_stabilité#Définition_de_la_stabilité_ou_de_l'instabilité_d'un_équilibre_de_point_matériel_à_un_degré_de_liberté_en_terme_de_force,_exemple_du_P.P.S._à_un_degré_de_liberté|définition de la stabilité ou de l'instabilité d'un équilibre de point matériel à un degré de liberté en terme de force, exemple du P.P.S. à un degré de liberté]] » du même chapitre de la même leçon pour la notion de stabilité <math>\;\big(</math>ou d'instabilité<math>\big)\;</math> d'un P.P.S. <ref name="P.P.S." />. {{Al|5}}<u>Retour sur la détermination des positions d'équilibre d'un P.P.S.</u> <ref name="P.P.S." /> : les abscisses angulaires d’équilibre étant les zéros de la « force motrice » <math>\big[</math>ici « composante de <math>\,m\;\vec{g}\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\theta</math>, <math>F(\theta) = -m\;g\; \sin(\theta)\;</math>»<math>\big]</math>, <br>{{Al|13}}{{Transparent|Retour sur la détermination des positions d'équilibre d'un P.P.S. : }}l’équation différentielle ayant été obtenue par «<math>\;F\! \left[ \theta(t) \right] = m\; a_\theta(t)\;</math>» et l’équilibre nécessitant «<math>\;a_\theta(t) = 0\;\; \forall\; t\;</math>» ; <br>{{Al|13}}{{Transparent|Retour sur la détermination des positions d'équilibre d'un P.P.S. : }}avec l’équation différentielle déterminée par «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = J_{\Delta_O}(M)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» <math>\big\{</math>«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)</math>, moment scalaire moteur »<math>\big\},</math> et <br>{{Al|13}}{{Transparent|Retour sur la détermination des positions d'équilibre d'un P.P.S. : avec }}l’équilibre nécessitant «<math>\;\ddot{\theta}(t) = 0\;\; \forall\; t\;</math>», les abscisses angulaires d’équilibre sont aussi les zéros du « moment scalaire moteur » <br>{{Al|13}}{{Transparent|Retour sur la détermination des positions d'équilibre d'un P.P.S. : }}d'où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,m\,\vec{g}}(\theta_{\text{éq}}) = 0\;</math>» ou «<math>\;-m\;g\; \mathit{l}\;\sin(\theta_{\text{éq}}) = 0\;</math>» soit finalement «<math>\;\theta_{\text{éq}} = 0</math> ou <math>\pi\;</math>» <ref> En se limitant aux déterminations principales c.-à-d. <math>\,\in \left] -\pi\,,\, +\pi \right]</math>.</ref>. {{Al|5}}<u>Retour sur la détermination de la stabilité</u><math>\;\big(</math><u>ou de l'instabilité</u><math>\big)\;</math><u>des équilibres d'un P.P.S.</u> <ref name="P.P.S." /> : au voisinage d’un équilibre stable, la force motrice étant « de rappel » <math>\big[</math>ici « au voisinage de <math>\,\theta_{\text{éq}} = 0</math>, <br>{{Al|13}}{{Transparent|Retour sur la détermination de la stabilité<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>ou de l'instabilité<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>des équilibres d'un P.P.S. : au voisinage d’un équilibre stable, la force motrice étant « de rappel » <math>\color{transparent}{\big[}</math>}}<math>F(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) = -m\;g\; \sin(\varepsilon) \simeq</math> <br>{{Al|13}}{{Transparent|Retour sur la détermination de la stabilité<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>ou de l'instabilité<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>des équilibres d'un P.P.S. : au voisinage d’un équilibre stable, la force motrice étant « de rappel » <math>\color{transparent}{\big[}</math>}}<math>-m\;g\;\varepsilon\;</math>» de rappel<math>\big]</math>, <br>{{Al|13}}{{Transparent|Retour sur la détermination de la stabilité<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>ou de l'instabilité<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>des équilibres d'un P.P.S. : }}au voisinage d'un équilibre instable, la force motrice étant « répulsive » <math>\big[</math>ici « au voisinage de <math>\,\theta_{\text{éq}} = \pi</math>, <br>{{Al|13}}{{Transparent|Retour sur la détermination de la stabilité<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>ou de l'instabilité<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>des équilibres d'un P.P.S. : au voisinage d’un équilibre instable, la force motrice étant « répulsive » <math>\color{transparent}{\big[}</math>}}<math>F(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) = m\;g\; \sin(\varepsilon) \simeq m\;g\;\varepsilon\;</math>» <br>{{Al|13}}{{Transparent|Retour sur la détermination de la stabilité<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>ou de l'instabilité<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>des équilibres d'un P.P.S. : au voisinage d’un équilibre instable, la force motrice étant « répulsive » <math>\color{transparent}{\big[}</math>}}répulsive<math>\big]</math> ; <br>{{Al|13}}{{Transparent|Retour sur la détermination de la stabilité<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>ou de l'instabilité<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>des équilibres d'un P.P.S. : }}ici le moment scalaire moteur «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right] = -m\;g\; \mathit{l}\;\sin(\theta)\,</math> lié à la force motrice <math>\,F(\theta) = -m\;g\; \sin(\theta)\;</math>» <br>{{Al|13}}{{Transparent|Retour sur la détermination de la stabilité<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>ou de l'instabilité<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>des équilibres d'un P.P.S. : ici le moment scalaire moteur «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right] = -m\;g\; \mathit{l}\;\sin(\theta)}\,</math> lié }}par «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right] = F(\theta)\;\mathit{l}\;</math>» nous induisons <br>{{Al|13}}{{Transparent|Retour sur la détermination de la stabilité<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>ou de l'instabilité<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>des équilibres d'un P.P.S. : }}la propriété <math>\bullet\;</math>si le moment scalaire moteur est « de rappel » au voisinage d'un équilibre, ce dernier est stable et <br>{{Al|13}}{{Transparent|Retour sur la détermination de la stabilité<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>ou de l'instabilité<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>des équilibres d'un P.P.S. : la propriété }}<math>\bullet\;</math>si le moment scalaire moteur est « répulsif » au voisinage d'un équilibre, ce dernier est instable. {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Ce qui a été rappelé ci-dessus est la détermination algébrique de la stabilité <math>\,\big(</math>ou de l'instabilité<math>\big)</math> des équilibres d'un P.P.S. <ref name="P.P.S." />, mais il existe aussi <br>{{Al|2}}{{Transparent|Remarque : Ce qui a été rappelé ci-dessus est }}une détermination graphique <ref name="détemination graphique de la stabilité ou non des équilibres d'un P.P.S."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Équilibre_et_stabilité#Méthode_graphique_de_vérification_de_la_stabilité_ou_de_l'instabilité_des_équilibres_du_P.P.S._à_un_degré_de_liberté|méthode graphique de vérification de la stabilité ou de l'instabilité des équilibres du P.P.S. à un degré de liberté]] » du chap.<math>18</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> qui peut être restituée en remplaçant la « composante orthoradiale de force motrice » par le « moment scalaire moteur » <math>\ldots</math> === En complément : généralisation à la détermination des positions d’équilibre d’un solide en rotation autour d’un axe fixe ainsi que de leur stabilité ou instabilité en terme de moment scalaire moteur === {{Al|5}}<u>Détermination des positions d'équilibre d'un solide en rotation autour d’un axe fixe</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Détermination des positions d'équilibre }}Il y a deux types de moments scalaires agissant sur un solide en rotation : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Détermination des positions d'équilibre Il y a deux types de moments scalaires }}<math>\bullet\;</math>ceux des forces « motrices » <ref name="moteur"> On rappelle que « moteur » signifie ici « cause de modification de mouvement », la force pouvant en fait accélérer ou freiner le solide.</ref> qui sont les causes de modification du moment cinétique scalaire <br>{{Al|13}}{{Transparent|Détermination des positions d'équilibre Il y a deux types de moments scalaires <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ceux des forces « motrices » }}<math>\big[</math>correspondant à des actions ou des réactions tangentielles au mouvement<math>\big]</math>, <br>{{Al|13}}{{Transparent|Détermination des positions d'équilibre Il y a deux types de moments scalaires <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ceux des forces « motrices » }}ces moments scalaires étant qualifiés de « moteurs » et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Détermination des positions d'équilibre Il y a deux types de moments scalaires }}<math>\bullet\;</math>ceux des forces « non motrices » qui sont <math>\,\perp\,</math> au mouvement <math>\big[</math>correspondant aussi bien à des actions qu'à des réactions <br>{{Al|5}}{{Transparent|Détermination des positions d'équilibre Il y a deux types de moments scalaires <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ceux des forces « non motrices » qui sont <math>\,\color{transparent}{\perp}\,</math> au mouvement <math>\color{transparent}{\big[}</math>}}pourvues qu'elles soient <math>\,\perp\,</math> au mouvement<math>\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Détermination des positions d'équilibre Il y a deux types de moments scalaires <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ceux des forces « non motrices » }}les moments scalaires de ces forces étant en fait nuls ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Détermination des positions d'équilibre }}soit «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)\;</math>» le « moment scalaire moteur agissant sur le solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> et ne s’annulant pas avec le mouvement » <ref> On élimine ainsi le moment scalaire des forces de frottement fluide.</ref>{{,}} <ref> En fait il s'agit du moment scalaire résultant moteur s'il y a plusieurs moments scalaires moteurs ne s'annulant pas avec le mouvement.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Détermination des positions d'équilibre }}les abscisses angulaires «<math>\;\theta_{\text{éq}}\;</math>» des positions d’équilibre du solide sont les zéros de «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)\;</math>» à savoir les valeurs «<math>\;\theta_{\text{éq}}\,</math> telles que <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}}) = 0\;</math>». {{Al|5}}<u>Détermination</u><math>\;\big(</math><u>algébrique</u><math>\big)\;</math><u>de la stabilité</u><math>\;\big(</math><u>ou de l'instabilité</u><math>\big)\;</math><u>des équilibres du solide précédent en rotation autour d’un axe fixe</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>}}pour étudier la stabilité <math>\,\big(</math>ou l'instabilité<math>\big)\,</math> de l’équilibre repéré par «<math>\;\theta_{\text{éq}}\,</math> telle que <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}}) = 0\;</math>», <br>{{Al|6}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité }}faire un D.L. <ref name="D.L." /> à l’ordre le plus bas non nul du « moment scalaire moteur <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)\;</math>» au voisinage de la position d’équilibre «<math>\;\theta_{\text{éq}}\;</math>» et <br>{{Al|6}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité }}conclure selon les résultats suivants : <br>{{Al|6}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure }}<math>\bullet\;</math><u>cas usuel</u> «<math>\;\dfrac{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta}(\theta_{\text{éq}}) \neq 0\;</math>», le développement de <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)\,</math> au voisinage de <math>\,\theta_{\text{éq}}\,</math> est limité à l'ordre un <br>{{Al|6}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas usuel }}«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) \simeq \dfrac{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta}(\theta_{\text{éq}})\;\varepsilon\;</math>» <math>\blacktriangleright\;</math>si «<math>\;\dfrac{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta}(\theta_{\text{éq}})\,</math> est <math>\,< 0\;</math>» <ref> Cas du P.P.S. à un degré de liberté pour l'équilibre repéré par <math>\,\theta_{\text{éq},\,1} \equiv 0\!\!\pmod{2\;\pi}</math>, la dérivée de <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta) = -m\;g\;\mathit{l}\;\sin(\theta)\,</math> par rapport à la variable de position conduisant à <math>\,\dfrac{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta}(\theta) =</math> <math>-m\;g\;\mathit{l}\;\cos(\theta)\,</math> et par suite à <math>\,\dfrac{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta}(\theta_{\text{éq},\,1}) = -m\;g\;\mathit{l}\; <\; 0</math>.</ref>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)\,</math> est « un moment scalaire <u>de rappel</u> » et <br>{{Al|18}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas usuel «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) \simeq d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\;\varepsilon}\;</math>» <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{< 0}\;</math>», }}l'équilibre est « <u>stable</u> », <br>{{Al|9}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas usuel «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) \simeq d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\;\varepsilon}\;</math>» }}<math>\blacktriangleright\;</math>si «<math>\;\dfrac{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta}(\theta_{\text{éq}})\;</math> est <math>\;> 0\;</math>» <ref> Cas du P.P.S. à un degré de liberté pour l'équilibre repéré par <math>\;\theta_{\text{éq},\,2} \equiv \pi\!\!\pmod{2\;\pi}</math>, la dérivée de <math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta) = -m\;g\;\mathit{l}\;\sin(\theta)\;</math> par rapport à la variable de position conduisant à <math>\;\dfrac{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta}(\theta) =</math> <math>-m\;g\;\mathit{l}\;\cos(\theta)\;</math> et par suite à <math>\;\dfrac{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta}(\theta_{\text{éq},\,2}) = m\;g\;\mathit{l}\; >\; 0</math>.</ref>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)\,</math> est « un moment scalaire <u>répulsif</u> » et <br>{{Al|20}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas usuel «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) \simeq d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\;\varepsilon}\;</math>» <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{> 0}\;</math>», }}l'équilibre est « <u>instable</u> », <br>{{Al|6}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure }}<math>\bullet\;</math><u>cas peu fréquent</u> «<math>\;\dfrac{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta}(\theta_{\text{éq}}) = 0\;</math>», le développement de <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)\,</math> au voisinage de <math>\,\theta_{\text{éq}}\,</math> est limité à l'ordre deux ou plus <br>{{Al|6}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas peu fréquent «<math>\;\color{transparent}{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}}) = 0}\;</math>», }}<math>\succ\;</math>si «<math>\;\dfrac{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^2}(\theta_{\text{éq}})\,\neq 0\;</math>», développement de <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)\,</math> au voisinage de <math>\,\theta_{\text{éq}}\,</math> limité à l'ordre deux <br>{{Al|8}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas peu fréquent «<math>\;\color{transparent}{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}}) = 0}\;</math>», <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\,\neq 0}\;</math>», }}«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) \simeq \dfrac{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^2}(\theta_{\text{éq}})\;\dfrac{\varepsilon^2}{2}\;</math>» de signe de <math>\,\dfrac{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^2}(\theta_{\text{éq}})</math>, <br>{{Al|8}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas peu fréquent «<math>\;\color{transparent}{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}}) = 0}\;</math>», <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\,\neq 0}\;</math>», }}l'équilibre est donc « <u>globalement instable</u> » <ref> En effet «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)\,</math> étant toujours du signe de <math>\,\dfrac{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^2}(\theta_{\text{éq}})\,</math> quel que soit le signe de <math>\,\varepsilon\;</math>», cela correspond à un équilibre stable d'un côté et instable de l'autre, plus précisément <br>{{Al|3}}<math>\bullet\;</math>pour <math>\,\dfrac{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^2}(\theta_{\text{éq}})\,>\, 0\,</math> et <math>\,\varepsilon < 0</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) \,>\, 0\,</math> agit pour ramener le solide vers sa position d'équilibre, l'équilibre étant donc localement stable mais le solide dépassant la position d'équilibre, alors <math>\,\varepsilon\,</math> devient <math>\,> 0\,</math> avec <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon)\,</math> restant <math>\,> 0\,</math> d'où l'équilibre devenant localement instable, <br>{{Al|3}}<math>\bullet\;</math>pour <math>\,\dfrac{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^2}(\theta_{\text{éq}})\,>\, 0\,</math> et <math>\,\varepsilon > 0</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) \,>\, 0\,</math> agit pour éloigner le solide de sa position d'équilibre, l'équilibre étant donc localement instable, <br>{{Al|3}}<math>\bullet\;</math>pour <math>\,\dfrac{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^2}(\theta_{\text{éq}})\,<\, 0\,</math> et <math>\,\varepsilon < 0</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) \,<\, 0\,</math> agit pour éloigner le solide de sa position d'équilibre, l'équilibre étant donc localement instable, <br>{{Al|3}}<math>\bullet\;</math>pour <math>\,\dfrac{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^2}(\theta_{\text{éq}})\,<\, 0\,</math> et <math>\,\varepsilon > 0</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) \,<\, 0\,</math> agit pour ramener le solide vers sa position d'équilibre, l'équilibre étant donc localement stable, mais le solide dépassant la position d'équilibre, alors <math>\,\varepsilon\,</math> devient <math>\,< 0\,</math> avec <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon)\,</math> restant <math>\,< 0\,</math> d'où l'équilibre devenant localement instable.</ref>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas peu fréquent «<math>\;\color{transparent}{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}}) = 0}\;</math>», }}<math>\succ\;</math>si «<math>\;\dfrac{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^2}(\theta_{\text{éq}})\,= 0\,</math> et <math>\,\dfrac{d^3 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^3}(\theta_{\text{éq}})\;\neq 0\;</math>», développement de <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)\,</math> au voisinage de <br>{{Al|10}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas peu fréquent «<math>\;\color{transparent}{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}}) = 0}\;</math>», <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\,= 0}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{d^3 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\;\neq 0}\;</math>», développement de }}<math>\,\theta_{\text{éq}}\,</math> limité à l'ordre trois <br>{{Al|10}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas peu fréquent «<math>\;\color{transparent}{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}}) = 0}\;</math>», <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\,= 0}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{d^3 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\;\neq 0}\;</math>», }}«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) \simeq \dfrac{d^3 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^3}(\theta_{\text{éq}})\;\dfrac{\varepsilon^3}{6}\;</math>», <br>{{Al|8}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas peu fréquent «<math>\;\color{transparent}{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}}) = 0}\;</math>», <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\,= 0}\,</math> }}<math>\blacktriangleright\;</math>si «<math>\;\dfrac{d^3 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^3}(\theta_{\text{éq}})\,< 0\;</math>», <math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)</math> « moment scalaire <u>de rappel</u> » et <br>{{Al|10}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas peu fréquent «<math>\;\color{transparent}{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}}) = 0}\;</math>», <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\,= 0}\,</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d^3 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\,< 0}\;</math>», }}équilibre « <u>stable</u> », <br>{{Al|8}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas peu fréquent «<math>\;\color{transparent}{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}}) = 0}\;</math>», <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\,= 0}\,</math> }}<math>\blacktriangleright\;</math>si «<math>\;\dfrac{d^3 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^3}(\theta_{\text{éq}})\,> 0\;</math>», <math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)</math> « moment scalaire <u>répulsif</u> » et <br>{{Al|10}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas peu fréquent «<math>\;\color{transparent}{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}}) = 0}\;</math>», <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\,= 0}\,</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d^3 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\,> 0}\;</math>», }}équilibre « <u>instable</u> », <br>{{Al|6}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure }}<math>\bullet\;</math><u>cas inexistant en pratique</u> <ref> Mais qui, en théorie, pourrait exister.</ref> «<math>\;\dfrac{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta}(\theta_{\text{éq}}) = 0</math>, <math>\,\dfrac{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^2}(\theta_{\text{éq}}) = 0\,</math> et <math>\,\dfrac{d^3 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^3}(\theta_{\text{éq}}) = 0\;</math>», développement de <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)\,</math> au voisinage <br>{{Al|19}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas inexistant en pratique «<math>\;\color{transparent}{d \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}}) = 0}</math>, <math>\,\color{transparent}{d^2 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}}) = 0}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{d^3 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}}) = 0}\;</math>», }}de <math>\,\theta_{\text{éq}}\,</math> limité à l'ordre quatre ou plus <br>{{Al|13}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas inexistant en pratique }}<math>\succ\;</math>si «<math>\;\dfrac{d^4 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^4}(\theta_{\text{éq}})\,\neq 0\;</math>» le développement de <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)\,</math> au voisinage de <math>\,\theta_{\text{éq}}\,</math> est limité à l'ordre quatre <br>{{Al|15}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas inexistant en pratique <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d^4 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\,\neq 0}\;</math>» }}«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) \simeq \dfrac{d^4 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^4}(\theta_{\text{éq}})\;\dfrac{\varepsilon^4}{24}\;</math>» de signe de <math>\,\dfrac{d^4 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^4}(\theta_{\text{éq}})</math>, <br>{{Al|15}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas inexistant en pratique <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d^4 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\,\neq 0}\;</math>» }}l'quilibre est donc « <u>globalement instable</u> » <ref> En effet «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)\,</math> étant toujours du signe de <math>\,\dfrac{d^4 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^4}(\theta_{\text{éq}})\,</math> quel que soit le signe de <math>\,\varepsilon\;</math>», cela correspond à un équilibre stable d'un côté et instable de l'autre, plus précisément <br>{{Al|3}}<math>\bullet\;</math>pour <math>\,\dfrac{d^4 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^4}(\theta_{\text{éq}})\,>\, 0\,</math> et <math>\,\varepsilon < 0</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) \,>\, 0\,</math> agit pour ramener le solide vers sa position d'équilibre, l'équilibre étant donc localement stable mais le solide dépassant la position d'équilibre, alors <math>\,\varepsilon\,</math> devient <math>\,> 0\,</math> avec <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon)\,</math> restant <math>\,> 0\,</math> d'où l'équilibre devenant localement instable, <br>{{Al|3}}<math>\bullet\;</math>pour <math>\,\dfrac{d^4 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^4}(\theta_{\text{éq}})\,>\, 0\,</math> et <math>\,\varepsilon > 0</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) \,>\, 0\,</math> agit pour éloigner le solide de sa position d'équilibre, l'équilibre étant donc localement instable, <br>{{Al|3}}<math>\bullet\;</math>pour <math>\,\dfrac{d^4 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^4}(\theta_{\text{éq}})\,<\, 0\,</math> et <math>\,\varepsilon < 0</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) \,<\, 0\,</math> agit pour éloigner le solide de sa position d'équilibre, l'équilibre étant donc localement instable, <br>{{Al|3}}<math>\bullet\;</math>pour <math>\,\dfrac{d^4 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^4}(\theta_{\text{éq}})\,<\, 0\,</math> et <math>\,\varepsilon > 0</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) \,<\, 0\,</math> agit pour ramener le solide vers sa position d'équilibre, l'équilibre étant donc localement stable, mais le solide dépassant la position d'équilibre, alors <math>\,\varepsilon\,</math> devient <math>\,< 0\,</math> avec <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon)\,</math> restant <math>\,< 0\,</math> d'où l'équilibre devenant localement instable.</ref>, <br>{{Al|13}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas inexistant en pratique }}<math>\succ\;</math>si «<math>\;\dfrac{d^4 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^4}(\theta_{\text{éq}})\,= 0\,</math> et <math>\,\dfrac{d^5 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^5}(\theta_{\text{éq}})\;\neq 0\;</math>», le développement de <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)\,</math> au voisinage de <math>\,\theta_{\text{éq}}\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas inexistant en pratique <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d^4 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\,= 0}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{d^5 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\;\neq 0}\;</math>», le développement de <math>\,\color{transparent}{\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta)}\,</math> }}est limité à l'ordre cinq <br>{{Al|17}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas inexistant en pratique <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d^4 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\,= 0}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{d^5 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\;\neq 0}\;</math>», }}«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}} + \varepsilon) \simeq \dfrac{d^5 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^5}(\theta_{\text{éq}})\;\dfrac{\varepsilon^5}{120}\;</math>», soit <br>{{Al|17}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas inexistant en pratique <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d^4 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\,= 0}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{d^5 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\;\neq 0}\;</math>», }}un équilibre « <u>stable</u> pour <math>\,\dfrac{d^5 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^5}(\theta_{\text{éq}})\, <\, 0\;</math>» et <br>{{Al|17}}{{Transparent|Détermination<math>\;\color{transparent}{\big(}</math>algébrique<math>\color{transparent}{\big)}\;</math>pour étudier la stabilité conclure <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>cas inexistant en pratique <math>\color{transparent}{\succ}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{d^4 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\,= 0}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{d^5 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}(\theta_{\text{éq}})\;\neq 0}\;</math>», }}un équilibre « <u>instable</u> pour <math>\,\dfrac{d^5 \mathcal{M}_{\!\Delta_O}}{d \theta^5}(\theta_{\text{éq}})\, >\, 0\;</math>». == Rappel du cas particulier : pendule pesant simple (non amorti à un degré de liberté) utilisant un fil idéal, détermination de la tension du fil et conditions de lancement pour que le fil reste tendu == [[File:Pendule pesant simple - repérage et forces appliquées - bis.png|thumb|300px|Schéma d'un P.P.S.N.A. <ref name="P.P.S.N.A." /> à un degré de liberté lancé dans les C.I. <ref name="C.I." /> <math>\;1\mathfrak{a} \cup 1\mathfrak{b}\;</math><ref name="C.I. 1a ou 1b" />, le point <math>\,M\,</math> du {{Nobr|P.P.S.N.A. <ref name="P.P.S.N.A." />}} à fil idéal <ref name="fil idéal"> C.-à-d. inextensible et sans masse.</ref> supposé tendu ayant un mouvement circulaire d'axe <math>\,\Delta\,</math> passant par <math>\,O\,</math> avec repérage polaire de pôle <math>\,O</math> <math>\,\big(</math>et d'axe <math>\,\Delta\big)\,</math> de <math>\,M\,</math> et représentation des deux forces s'appliquant sur lui]] {{Al|5}}Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Mouvement_conservatif#2ème_additif_:_«_dans_le_cas_où_le_P.P.S._est_constitué_d'un_fil_idéal_se_substituant_à_la_tige_rigide,_valider_la_condition_de_tension_du_fil_»|2^ème additif : “dans le cas où le P.P.S. est constitué d'un fil idéal se substituant à la tige rigide, valider la condition de tension du fil”]] » <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe }}du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] », <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe }}nous rappelons les principaux résultats ci-dessous : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons }}Après utilisation successive de la projection sur <math>\,\vec{u}_r\,</math> de la r.f.d.n. <ref name="r.f.d.n."> Relation Fondamentale de la Dynamique Newtonienne.</ref> appliquée à <math>\,M\,</math> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\overline{T}(t) = \vec{T}(t) \cdot \vec{u}_r</math> <br>{{Al|13}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons Après utilisation successive de la projection sur <math>\,\color{transparent}{\vec{u}_r}\,</math> de la r.f.d.n. appliquée à <math>\,\color{transparent}{M}\,</math> <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{transparent}{\overline{T}(t)}</math> }}<math>= -m\, \left\lbrace \mathit{l}\,\dot{\theta}^2\!(t) + g\,\cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <br>{{Al|2}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons Après utilisation successive}}et de l'intégrale 1^ère énergétique de <math>\,M\,</math> «<math>\;\dfrac{1}{2}\;m\;\mathit{l}^{\,2}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\; \mathit{l}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace = E_{m,\,0}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons Après utilisation successive }}nous avons trouvé, pour composante du vecteur tension du fil <math>\,\vec{T}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_r</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons Après utilisation successive nous avons trouvé, }}«<math>\;\overline{T}(t) = \vec{T}(t) \cdot \vec{u}_r = -m\;g\, \left\lbrace \dfrac{2\;E_{m,\,0}}{m\;g\;\mathit{l}} - 2 + 3\;\cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons }}le fil restant tendu dans tout le mouvement si <math>\,\overline{T}(\theta)\;</math><ref> Il s'agit d'un abus d'écriture usuel en physique <math>\,\big(</math>mais non toléré en mathématiques<math>\big)\,</math> consistant à confondre la fonction avec la valeur de la fonction, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Il s'agit d'un abus d'écriture usuel en physique }}<math>\,\overline{T}(t)\,</math> valeur de la fonction <math>\,f\,</math> composante radiale du vecteur tension du fil de la variable <math>\,\theta\,</math> <br>{{Al|3}}{{Transparent|Il s'agit d'un abus d'écriture usuel en physique <math>\,\color{transparent}{\overline{T}(t)}\,</math> valeur de la fonction <math>\,\color{transparent}{f}\,</math> }}composée avec la fonction <math>\,g\,</math> loi horaire de position angulaire du P.P.S. de la variable <math>\,t\,</math> <br>{{Al|3}}{{Transparent|Il s'agit d'un abus d'écriture usuel en physique <math>\,\color{transparent}{\overline{T}(t)}\,</math> }}est identifié, en physique, à <math>\,\overline{T}(\theta)\,</math> mais <br>{{Al|3}}{{Transparent|Il s'agit d'un abus d'écriture usuel en physique }}cette même valeur serait notée en mathématiques <math>\,f\! \left[ g(t) \right]\,</math> ou <math>\,f(\theta)\,</math> faisant la distinction entre la fonction <math>\,f \circ g\,</math> de la variable <math>\,t\,</math> et <math>\,f\,</math> de la variable <math>\,\theta</math> ; <br>{{Al|3}}cet abus est très utile en physique car il permet de limiter fortement le nombre de grandeurs introduites.</ref> est <math>\;< 0\;\;\forall\; \theta</math>, ce qui est réalisé « si le maximum de <math>\;\overline{T}(\theta)\,</math> est <math>\,< 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu }}il convient, pour poursuivre, d'introduire le domaine de variation de <math>\,\theta</math>, ce qui nécessite <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu il convient, pour poursuivre, }}de distinguer la nature révolutive ou oscillatoire hypothétique du P.P.S.N.A. <ref name="P.P.S.N.A." /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu il convient, pour poursuivre, de distinguer }}suivant son énergie mécanique initiale : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu }}<math>\bullet\;</math>si «<math>\;E_{m,\,0}\,</math> est <math>\,>\,</math> à <math>\,2\,m\,g\,\mathit{l}\;</math>» <ref> Nous sommes nécessairement dans les C.I. de type <math>\,1\mathfrak{b}\,</math> c.-à-d. que <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,\neq 0</math>.</ref>, le mouvement du P.P.S.N.A. <ref name="P.P.S.N.A." /> étant révolutif <math>\,\big(</math>si le fil reste tendu<math>\big)</math>, <br>{{Al|13}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{>}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» }}le domaine de variation de <math>\,\theta\,</math> est «<math>\;\left\lbrace \begin{array}{r c l} \left[ \theta_0\,,\,+\infty \right[ & \text{pour} & \dot{\theta}_0 > 0\\ \left] -\infty\,,\,\theta_0 \right] & \text{pour} & \dot{\theta}_0 < 0 \end{array} \right\rbrace\;</math>» <br>{{Al|13}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{>}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» }}mais, la fonction <math>\,\overline{T}(\theta) = -m\,g\, \left[ \dfrac{2\,E_{m,\,0}}{m\,g\,\mathit{l}} - 2 + 3\,\cos(\theta) \right]\,</math> étant <br>{{Al|13}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{>}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» mais, la fonction <math>\,\color{transparent}{\overline{T}(\theta)}</math> }}<math>\,2\,\pi</math>-périodique et paire, « la recherche de son <br>{{Al|13}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{>}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» mais, }}maximum peut être restreinte à <math>\,\left[ 0\,,\,+\pi \right]</math>, <math>\,\forall\,</math> signe de <math>\,\dot{\theta}_0\;</math>» <ref> En effet la fonction <math>\,\overline{T}(\theta) = -m\,g\, \left[ \dfrac{2\,E_{m,\,0}}{m\,g\,l} - 2 + 3\,\cos(\theta) \right]\,</math> étant <math>\,2\,\pi</math>-périodique et paire, la recherche de son maximum peut être restreinte à un intervalle de largeur <math>\,\pi\,</math> à partir duquel on obtient toutes les valeurs possibles de <math>\,\overline{T}(\theta)</math>, <math>\,\big[</math>de largeur <math>\,2\,\pi\,</math> car <math>\,\overline{T}(\theta)\,</math> est <math>2\,\pi</math>-périodique et de largeur <math>\,\pi\,</math> car <math>\,\overline{T}(\theta)\,</math> est en plus paire<math>\big]\,</math> par exemple, <br>{{Al|3}}{{Transparent|En effet }}en supposant <math>\,\dot{\theta}_0 > 0</math>, la condition de fil tendu pour un mouvement hypothétique révolutif se réécrit <math>\,\max\limits_{\left[ \theta_0\,,\,\theta_0 + \pi \right]} \left\lbrace \overline{T}(\theta) \right\rbrace < 0\,</math> ou <math>\,\max\limits_{\left[ 0\,,\, +\pi \right]} \left\lbrace \overline{T}(\theta) \right\rbrace < 0</math> <math>\,\Big\{</math>car toutes les valeurs possibles sont aussi trouvées en restreignant l'intervalle de définition de <math>\,\overline{T}(\theta)\,</math> à <math>\,\left[ 0\,,\,+\pi \right]\Big\}\,</math> et, <br>{{Al|3}}{{Transparent|En effet }}en supposant <math>\,\dot{\theta}_0 < 0</math>, elle se réécrit <math>\,\max\limits_{\left[ \theta_0 - \pi\,,\, \theta_0 \right]} \left\lbrace \overline{T}(\theta) \right\rbrace < 0\,</math> ou <math>\,\max\limits_{\left[ -\pi\,,\,0 \right]} \left\lbrace \overline{T}(\theta) \right\rbrace < 0</math> <math>\,\Big\{</math>toutes les valeurs possibles étant aussi trouvées en restreignant l'intervalle de définition de <math>\,\overline{T}(\theta)\,</math> à <math>\,\left[ -\pi\,,\,0 \right]\,</math> ou encore <math>\,\left[ 0\,,\,+\pi \right]\Big\}</math>.</ref> soit, <br>{{Al|13}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{>}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» }}avec <math>\,\overline{T}(\theta) = -m\,g\, \left[ \dfrac{2\,E_{m,\,0}}{m\,g\,\mathit{l}} - 2 + 3\,\cos(\theta) \right]\,\nearrow\,</math> sur <math>\,\left[ 0\,,\, +\pi \right]</math>, son <br>{{Al|13}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{>}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» }}maximum s'obtenant alors pour <math>\,\pi</math>, la condition de fil tendu se réécrit «<math>\;\max\limits_{\left[ 0\,,\,+\pi \right]} \left\lbrace \overline{T}(\theta) \right\rbrace = \overline{T}(+\pi) < 0\;</math>» ou encore <br>{{Al|13}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{>}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» }}<math>\,\overline{T}(+\pi) = -m\,g\, \left[ \dfrac{2\,E_{m,\,0}}{m\,g\,\mathit{l}} - 5 \right] < 0\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,E_{m,\,0} > \dfrac{5}{2}\;m\;g\;\mathit{l}</math>, finalement <br>{{Al|13}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{>}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» }}« la <u>condition pour que le mouvement du P.P.S.N.A. <ref name="P.P.S.N.A." /> à fil idéal <ref name="fil idéal" /> soit effectivement révolutif</u> <br>{{Al|13}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{>}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» « }}sans que le fil ne se détende est <math>\,E_{m,\,0} > \dfrac{5}{2}\;m\;g\;\mathit{l}\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu }}<math>\bullet\;</math>si «<math>\;E_{m,\,0}\,</math> est <math>\,<\,</math> à <math>\,2\,m\,g\,\mathit{l}\;</math>», le mouvement du P.P.S.N.A. <ref name="P.P.S.N.A." /> étant oscillatoire <math>\,\big(</math>si le fil reste tendu<math>\big)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{<}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» }}le domaine de variation de <math>\,\theta\,</math> est «<math>\;\left[ -\theta_m\,,\,+\theta_m \right[\,</math> dans lequel l'amplitude <math>\,\theta_m = \arccos\! \left[ 1 - \dfrac{E_{m,\,0}}{m\,g\,\mathit{l}} \right]\;</math>» <ref name="arccosinus"> Voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Fonctions_trigonométriques_inverses#Fonction_inverse_de_la_fonction_cosinus_:_fonction_arccosinus|fonction inverse de la fonction cosinus : fonction arccosinus]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>{{,}} <ref name="amplitude d'oscillations"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Mouvement_conservatif#Condition(s)_pour_que_le_mouvement_du_P.P.S.N.A._soit_oscillatoire|condition(s) pour que le mouvement du P.P.S.N.A. soit oscillatoire]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{<}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» }}mais, la fonction <math>\,\overline{T}(\theta) = -m\,g\, \left[ \dfrac{2\,E_{m,\,0}}{m\,g\,\mathit{l}} - 2 + 3\,\cos(\theta) \right]\,</math> étant <math>\,2\,\pi</math>-périodique et paire, « la recherche de son <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{<}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» mais, }}maximum peut être restreinte à <math>\,\left[ 0\,,\,\theta_m \right]\,</math> et, avec <math>\,\overline{T}(\theta) = -m\,g\, \left[ \dfrac{2\,E_{m,\,0}}{m\,g\,\mathit{l}} - 2 + 3\,\cos(\theta) \right]\,\nearrow\,</math> sur <math>\,\left[ 0\,,\, \theta_m \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{<}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» }}son maximum s'obtenant alors pour <math>\,\theta_m</math>, la condition de fil tendu se réécrit «<math>\;\max\limits_{\left[ 0\,,\,\theta_m \right]} \left\lbrace \overline{T}(\theta) \right\rbrace = \overline{T}(\theta_m) < 0\;</math>» ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{<}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» }}<math>\,\overline{T}(\theta_m) = -m\,g\, \left[ \dfrac{2\,E_{m,\,0}}{m\,g\,\mathit{l}} - 2 + 3\,\cos(\theta_m) \right] = -m\,g\, \left\lbrace \dfrac{2\,E_{m,\,0}}{m\,g\,\mathit{l}} - 2 + 3\, \left[ 1 - \dfrac{E_{m,\,0}}{m\,g\,\mathit{l}} \right] \right\rbrace = m\,g\, \left\lbrace \dfrac{E_{m,\,0}}{m\,g\,\mathit{l}} - 1 \right\rbrace</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{<}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\overline{T}(\theta_m)}</math> }}<math>< 0\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,E_{m,\,0} < m\;g\;\mathit{l}</math>, finalement <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{<}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» }}« la <u>condition pour que le mouvement du P.P.S.N.A. <ref name="P.P.S.N.A." /> à fil idéal <ref name="fil idéal" /> soit effectivement oscillatoire</u> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0}}\,</math> est <math>\,\color{transparent}{<}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{2\,m\,g\,\mathit{l}}\;</math>» « }}sans que le fil ne se détende est <math>\,E_{m,\,0} < m\;g\;\mathit{l}\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu }}<math>\bullet\;</math>en conclusion si «<math>\;E_{m,\,0} \in \left[ m\,g\,\mathit{l}\,,\, \dfrac{5}{2}\,m\,g\,\mathit{l} \right[\;</math>», <u>le fil se détend</u> pour «<math>\;\theta_{\text{détente}}\,</math> telle que <math>\,\overline{T}(\theta_{\text{détente}}) = 0\;</math>» soit <br>{{Al|9}}{{Transparent|Voir le paragraphe nous rappelons le fil restant tendu <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>en conclusion si «<math>\;\color{transparent}{E_{m,\,0} \in \left[ m\,g\,\mathit{l}\,,\, 5\,m\,g\,\mathit{l} \right[}\;</math>», le fil se détend pour }}«<math>\;\vert \theta_{\text{détente}} \vert = \arccos\! \left[ \dfrac{2}{3} - \dfrac{2\,E_{m,\,0}}{3\,m\,g\, \mathit{l}} \right]\, \in \left[ \dfrac{\pi}{2}\,,\, \pi \right]\;</math>» <ref name="arccosinus" />. == Notes et références == <references /> {{Bas de page | idfaculté = physique | précédent = [[../Loi du moment cinétique : Pendule pesant 1ère partie|Loi du moment cinétique : Pendule pesant 1ère partie]] | suivant = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Énergie cinétique du solide en rotation|Approche énergét. du mouv. d'un sol. en rotat. autour d'un axe fixe : Énergie cinétique du solide en rotation]] }} 1alaf5tkiqcqam9bjnxnyw4i323nxj6 0 87390 987933 987931 2026-10-31T13:07:07Z Phl7605 31541 /* Énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d’un fil et sa conservation en absence de frottement */ 987933 wikitext text/x-wiki {{Chapitre | idfaculté = physique | numéro = 12 | niveau = 14 | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie/]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels/]] }} <center>Ce chapitre est traité dans le cadre de la dynamique newtonienne avec ajout de quelques éléments de dynamique relativiste.</center> == Théorème de l'énergie cinétique d’un système de matière, cas d’un solide en rotation autour d’un axe fixe == {{Al|5}}Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}est évidemment à connaître comme forme intégrée de la forme locale <ref name="forme intégrée de forme locale"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Lois_de_la_puissance_et_de_l'énergie_cinétiques#Différence_entre_«_forme_locale_de_la_dynamique_»_et_«_forme_intégrée_associée_à_cette_forme_locale_»|différence entre forme locale de la dynamique et forme intégrée associée à cette forme locale]] » du chap.<math>15</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> « théorème de la puissance <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}cinétique d'un système de matière » laquelle est inscrite explicitement dans le programme <math>\;\ldots</math> === Définition du travail du système des forces extérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque"> Par « système de matière quelconque » il faut entendre « système fermé discret de points matériels ou continu de matière » « déformable ou non ».</ref> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1"> A priori <math>\,N\,</math> pourrait être égal à <math>\,1\,</math> mais ce ne serait plus un système de points matériels mais un simple point matériel.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes"> C.-à-d. l’ensemble des paramètres de position et de vitesse de tous les points à l'instant de définition de l'état, tous ces paramètres permettant d’y décrire le système.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> entre }}l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Expression_du_travail_élémentaire_de_la_force_dont_le_point_d’application_subit_le_vecteur_déplacement_élémentaire_correspondant_à_la_durée_élémentaire_de_développement_de_sa_puissance|expression du travail élémentaire de la force dont le point d'application subit le vecteur déplacement élémentaire correspondant à la durée élémentaire de développement de sa puissance]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - bis"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="infiniment proches"> Instants infiniment proches.</ref>, son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité volumique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance volumique <math>\,\mathcal{P}_{\text{vol},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t)</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité surfacique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance surfacique <math>\,\mathcal{P}_{\text{surf},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) =</math>}} <math>\sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité linéique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance linéique <math>\,\mathcal{P}_{\text{lin},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right] dt\;</math>».</ref>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« chaque point <math>\,\color{transparent}{M_i}\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> entre «<math>\;\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\;</math>» }}son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\,</math> étant aussi tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces extérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces extérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" />. === Définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est également présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2"> Pour l'existence de forces intérieures appliquées à un système, <math>\,N\,</math> doit être évidemment <math>\,\geqslant\,</math> à <math>\,2</math>.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes" /> et l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" /> sachant que <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir }}le système des forces intérieures s'exerçant sur le système discret fermé de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le système des forces intérieures }}est défini comme « l'ensemble des forces <math>\,\vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t)\,</math> que chaque point <math>\,M_j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, exerce sur chaque point <math>\,M_i,\;\;i \neq j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math>» <ref name="système de forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Forces,_principe_des_actions_réciproques#Système_des_forces_intérieures_s’exerçant_sur_un_système_de_points_matériels_fermé|système des forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math> entre les instants <math>\;t\;</math> et <math>\;t + dt\;</math> selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i} \right]\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - ter"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> dans lequel, chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \mu(M')\;d \mathcal{V}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t)</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bivolumique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}}{d \mathcal{V}_{M'}\;d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \sigma(M')\;d S_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\;</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t)</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bisurfacique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}}{d S_{M'}\;d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \lambda(M')\;d \mathit{l}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t)</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\;\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bilinéique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}}{d \mathit{l}_{M'}\;d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace dt\;</math>».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces intérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces intérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière" />. {{Al|5}}<u>Remarque 1</u> : Le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures }}peut aussi être défini à partir de la puissance instantanée développée par les forces intérieures s’exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="définition de la puissance développée par les forces intérieures"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Définition_2|définition]] (de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures peut aussi être défini }}selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - tetra"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : }}le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}s'obtenant en ajoutant tous les travaux élémentaires de <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}peut se calculer à partir de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> peut se calculer }}par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>». {{Al|5}}<u>Remarque 2</u> : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math><ref name="définition du référentiel Rj"> Le référentiel «<math>\;\mathcal{R}_j\;</math>» est le référentiel lié à <math>\,M_j\,</math> en translation par rapport au référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#cite_note-puissance_des_forces_intérieures_s'exerçant_sur_système_continu_de_matière_-_ter-55|⁵⁵]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> dans le référentiel <math>\,\color{transparent}{\mathcal{R}}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}_{\text{int}}(t)}</math> }}<math>= \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Autres_expressions_équivalentes|autres expressions équivalentes]] de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj"> Le point <math>\,M_i\,</math> décrivant dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_j</math> <math>\,\big[</math>lié à <math>\,M_j\,</math> et en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\big]\,</math> une trajectoire particulière <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}\;</math> entre les deux instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t)\big]\,</math> étant tangent à <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}</math>.</ref> ou <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures «}}<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right]\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : }}de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière" />{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" />{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" />. {{Al|5}}<u>Remarque 3</u> : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nulle <ref name="puissance des forces intérieures en général non nulle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (1^ère conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu"> Système discret de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique"> Le système se comporte donc comme un solide au sens de la mécanique.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures nulle pour un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (3^ème conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = 0\;\;\forall\;t\,</math> pour <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = 0\;\;\forall\;\left[ t\,,\,t + dt \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> le devient }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = 0\;\;\forall\;\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> ». === Théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Partant du théorème de la puissance cinétique appliqué, à l'instant <math>\,t</math>, à un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Énoncé|énoncé]] du théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> dans lequel <math>\,\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math> est la puissance cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{ext}}(t)\,</math> la puissance développée par les forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\,</math> celle développée par les forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la même date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on multiplie par <math>\,dt\,</math> pour obtenir la forme élémentaire du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir la forme élémentaire }}entre «<math>\;t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\;</math>» où <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> est la variation élémentaire d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{ext}}\,</math> le travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{int}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur le même <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on intègre entre <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique }}entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec <math>\,\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\,</math> variation d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\,</math> }}sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> le travail des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> le travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> celui des forces intérieures }}sur le même <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>. {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> étant nul quel que soit le mouvement du système » <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Définition_du_travail_du_système_des_forces_intérieures_appliquées_à_un_«_système_de_matière_»_entre_un_état_initial_et_un_état_final|définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un système de matière entre un état initial et un état final]] (remarque 3) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul }}<math>\Rightarrow</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide sous sa forme élémentaire ou <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide }}sur une durée finie : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière en translation » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière"> Système fermé discret fermé de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> en translation » <ref name="système en translation"> Un « système de matière en translation » ne se déformant pas peut aussi être qualifié de « solide » au sens de la mécanique.</ref>, tous les points ont le même vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> égal à celui du C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> <math>\,G\,</math> du système, d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\!G}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <ref name="signification du travail élémentaire développé par les forces extérieures appliquées à un système en translation"> Dans cette 3^ème expression «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» est aussi « le travail élémentaire qui serait développé, sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\,t + dt \right],</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>, par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans <math>\,\mathcal{R}\;</math>» <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», ce dernier s'obtenant par application du théorème du mouvement du C.D.I. <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Principe_fondamental_de_la_dynamique_et_théorème_de_la_résultante_cinétique#Énoncé_du_théorème_(dynamique_newtonienne)|énoncé du théorème (dynamique newtonienne)]] du mouvement du C.D.I. d'un système » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> correspondant aussi à l'application de la r.f.d.n. <math>\,\big(</math>relation fondamentale de la dynamique newtonienne<math>\big)\,</math> au point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>» sur lequel s'exercerait la résultante dynamique<math>\big\}</math>.</ref> dans laquelle «<math>\;\vec{F}_{\text{ext}}(t)\;</math> est la résultante <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}«}}dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» <ref> Voir les paragraphes « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_en_translation_»|cas d'un système de matière en translation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » et « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissancce développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces intérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{int},\,\text{syst. en transl.}} = 0\;</math>» <ref name="système en translation" />{{,}} <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>de la variation élémentaire de l'énergie cinétique du système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en transl.}}\;</math>» avec «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2</math>» <ref name="signification de l'énergie cinétique d'un système en translation"> Dans cette 2^ème expression «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» est aussi « l'énergie cinétique newtonienne du point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans {{Nobr|<math>\,\mathcal{R}\,</math>»}} <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», tous les points du système en translation ayant même vitesse que le C.D.I. <math>\,G\big\}</math>.</ref> l'énergie cinétique <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, dans le cadre de la cinétique newtonienne <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en translation"> Voir le paragraphe « énergie cinétique dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Cas_d'un_système_en_translation|cas d'un système en translation]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique }}appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" />{{, }} <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque dans un référentiel galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> nous obtenons : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un référentiel <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière en translation <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> étant le C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> et <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =}</math> }}la résultante dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\,</math> ou <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste"> Applicable sous cette forme dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste.</ref> avec <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\,</math>».}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="système fermé de matière" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système en translation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =</math> <math>K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail effectué par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail effectué par la résultante dynamique }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <br>{{Al|208}}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Ce théorème <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais il doit bien sûr être connu <ref> Sans doute ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. car on considère usuellement un système de matière en translation comme un point matériel <math>\,\big(</math>le C.D.I. <math>\,G\,</math> du système<math>\big)\,</math> sur lequel s'exerce la résultante dynamique du système et, selon ce point de vue, le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un système de matière en translation n'est rien d'autre que le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un point matériel, lequel est, quant à lui, au programme <math>\;\ldots</math></ref>. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}<u>Préliminaire</u> : Un « système <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » peut, a priori, se déformer <ref name="système en rotation autour d'un axe"> Par exemple, en se dilatant, c.-à-d. que chaque point du système, en plus de sa rotation autour d'un axe fixe, s'éloigne radialement de cet axe <math>\,\big(</math>la vitesse d'éloignement pouvant être différente d'un point à un autre<math>\big)\,</math> mais dans ce cas il ne s'agit pas d'une rotation « pure » <math>\;\ldots</math> <br>{{Al|3}}Pour maintenir une même vitesse angulaire à un instant <math>\,t\,</math> pour tous les points d'un « système déformable », il faut que le mouvement orthoradial de chacun des points soit corrélé au mouvement radial correspondant, avec absence de mouvement axial, c.-à-d. que, pour deux points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> tels que la droite <math>\,M_iM_j\,</math> recoupe l'axe <math>\,\Delta\,</math> perpendiculairement en <math>\,H_{i,\,j}</math>, <math>\,\big[</math>les points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> ayant donc même abscisse angulaire <math>\,\theta_{i,\,j}(t)\big]\,</math> on ait <math>\,\dot{\theta}_{i,\,j}(t) = \overline{\Omega}(t)</math> <math>\,\big[</math>donc indépendant de <math>\,\left( i\,,\, j \right)\big]\,</math> pour tout instant <math>\,t\,</math> et pour tout couple <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> dont les éléments ont même abscisse angulaire, ces conditions étant très contraignantes sont quasiment jamais réalisées naturellement <math>\;\ldots</math></ref>, toutefois, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Préliminaire : un « système <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>fermé<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » }}il est, en pratique, indéformable et est alors qualifié de « solide » au sens de la mécanique ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Préliminaire : }}l’exposé ci-dessous s'applique à un système discret <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de points matériels ou un système continu <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}<u>Exposé</u> : Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière" /> indéformable, en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe <math>\,\Delta</math>, fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen », <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}tous les points ont le même vecteur rotation instantanée <math>\,\vec{\Omega}(t) = \overline{\Omega}(t)\;\vec{u}_{\Delta}\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\big[\vec{u}_{\Delta}\,</math> étant le vecteur unitaire orientant l'axe de rotation <math>\,\Delta\,</math> et <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\big[}</math>}}autour de cet axe de rotation <math>\,\Delta\big]\,</math> d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe"> Expression ne nécessitant pas que l'axe <math>\,\Delta\,</math> soit fixe, la fixité de l'axe dans un référentiel intervenant quand ce dernier est galiléen et quand on utilise l'un des théorèmes fondamentaux de la dynamique de rotation des systèmes <math>\,\big\{</math>par exemple le théorème de l'énergie cinétique établi dans ce paragraphe mais le traavail élémentaire déveeloppé par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» ne nécessite pas que <math>\,\Delta\,</math> soit fixe<math>\big\}</math>.</ref>{{,}} <ref name="travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur un système en rotation"> Voir le paragraphe « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> {{Nobr|«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)</math>}} <math>= \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;</math>» et le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\delta W\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right] = \mathcal{P}\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right]\;dt\;</math>» puis, en faisant la somme membre à membre de façon à définir le travail élémentaire du sytème des forces extérieures s'exerçant sur le système en rotation «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)\;dt\;</math>».</ref> où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> est le moment <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» ou, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>du travail élémentaire }}avec «<math>\;\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta\;</math>» dans lequel <math>\,\theta(t)\,</math> est l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, la réécriture <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>,«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>de la variation de l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}}\;</math>» avec, l'énergie cinétique, à l'instant <math>\,t</math>, de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le cadre de la cinétique newtonienne «<math>\;K_{\text{syst. en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en rotation autour d'un axe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d’un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d’un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> avec «<math>\;J_\Delta\,</math> le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}relativement à <math>\,\Delta\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe"> Voir la notion de moment d'inertie d'un système discret ou continu dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Application_à_un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe#Application_au_cas_d'un_«_système_fermé_de_matière_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe_«_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|application d'un système fermé de matière en rotation autour d'un axe Δ fixe quelconque dans un référentiel d'étuide galiléen]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> d'où, en cinétique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> appliqué à un solide <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_solide_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d'un système }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> avec «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» et «<math>\;\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <math>\,\overline{\Omega}(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}<math>= \dot{\theta}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> encore égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>avec <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> et <math>\,\theta(t)\,</math> l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" />, sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail du moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail du }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[\theta(t)\,</math> étant l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation est égale au travail du «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[\theta}\,</math> étant l'abscisse angulaire }}à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> étant le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = 2\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)}\;</math>» <math>\,\big[</math>}}<math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] <math>\,\big(</math>photographié ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_(non_amorti)|mise en équation différentielle du mouvement du pendule de torsion (non amorti)]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Théorème_de_la_puissance_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_autour_d'un_axe_Δ_fixe_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe dans un référentiel d'étude galiléen]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. {{Al|5}}Ci-contre le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec deux fils de torsion identiques de même constante de torsion «<math>\;C\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec }}positions de masselottes identiques <math>\,\big(</math>sauf pour la couleur<math>\big)\,</math> de part et d'autre du point <math>\,C\,</math><ref name="distinction entre point d'attache des fils sur la tige et constante de torsion des fils"> On accepte la même notation pour le point d'attache des deux fils sur la tige et la constante de torsion de ces derniers tant qu'il n'y a pas d'ambiguïté <math>\,\big(</math>ce qui ne devrait jamais arriver compte-tenu du fait que ces deux grandeurs sont de nature différente<math>\big)</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec positions de masselottes identiques }}<math>\,\big(C\,</math> point d’attache des deux fils de torsion sur la tige<math>\big)</math> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre <math>\,\big(</math>en absence de masselottes<math>\big)\,</math> diffère du « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] » de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici l'extrémité supérieure <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil de torsion supérieur est mobile au lieu d'être fixe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur étant dans les deux fixe et <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici la torsion initiale est fournie par rotation propre de <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> d'un angle «<math>\;2\,\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>repéré sur le cercle gradué lié à <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}</math>, position de référence du cercle gradué<math>\big)\,</math> <math>\Rightarrow</math> en pratique, après quelques oscillations, la tige <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}acquiert la position d'équilibre repérée par l'angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>voir vérification ci-dessous<math>\big)\,</math> alors que <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] la torsion initiale est fournie par rotation de la tige d'un angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>également repéré <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>dans le pendule du chap.7 }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}\big)</math>, la position d'équilibre de la tige étant repérée par l'angle nul ; {{Al|5}}<u>vérification de la position d'équilibre de la tige dans le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}orientant les deux fils de torsion du bas vers le haut, quand la tige acquiert la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion supérieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche"> Une hélice est « droite » si le point tourne sur la gauche <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique direct ou encore dans le sens antihoraire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée et <br>{{Al|31}}elle est « gauche » si le point tourne sur la droite <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique indirect ou encore dans le sens horaire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée <br>{{Al|3}}<math>\,\big[</math>revoir aussi la distinction « hélices gauche ou droite » dans le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Mouvement_de_particules_chargées_dans_des_champs_électrique_et_magnétique_:_Cas_particulier_d'un_champ_magnétostatique_uniforme#Nature_hélicoïdale_uniforme_du_mouvement_de_la_particule|nature hélicoïdale uniforme du mouvement de la particule]] » du chap.<math>24</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> d'un angle «<math>\;\theta_1 - 2\;\theta_1 = -\theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil"> L'angle de torsion du fil qui intervient dans le vecteur moment du couple de torsion est l'angle que fait l'extrémité mobile relativement à l'extrémité maintenue fixe même si cette extrémité est fixée avec torsion initiale comme c'est le cas pour le fil supérieur <math>\,\big\{</math>on peut vérifier que cette définition correspond bien au schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » car {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{A_0B_0}\;</math>»}} est lié à l'extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil supérieur et «<math>\;\overrightarrow{AB}\;</math>» à l’extrémité mobile <math>\,C\,</math> et il en est de même pour l'éventuel fil de torsion inférieur<math>\big\}</math>.</ref> par rapport à son extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion supérieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} = -C \left( -\theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion inférieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche" /> d’un angle «<math>\;\theta_1 - 0 = \theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil" /> par rapport à l’extrémité <math>\;O_{\text{inf}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion inférieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = -C \left( \theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = -C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur la tige vérifiant «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} + \vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = \vec{0}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur }}la tige est effectivement en équilibre dans cette position <math>\;\ldots</math> {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <math>\,\big\{</math>ensemble solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC"> L'axe <math>\,\Delta_C\,</math> est le support des fils de torsion.</ref> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemb}}le solide étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles"> Repérée par rapport à la position de l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemble solide étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des masselottes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des masselottes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des masselottes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur"> L'angle de torsion du fil supérieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 2\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation"> Il s'agit de l'application de la puissance instantanée développée par un système de forces extérieures sur un solide en rotation autour d'un axe fixe <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d'un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> quand le système de forces extérieures est équivalent à un couple <math>\,\big[</math>c.-à-d. un système dont la résultante est nulle et dont le moment résultant scalaire relativement à l'axe de rotation définit le moment scalaire du couple<math>\big]</math>.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur"> L'angle de torsion du fil inférieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 0 = \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cin%C3%A9tique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d'un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;</math> est le moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et masselottes » en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_C\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre"> Ce qui suppose que <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> est non identiquement nulle <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\theta(t)\,</math> n'est pas une constante c.-à-d. que le solide n'est pas à sa position d'équilibre.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à droite «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta_1\;</math>», équation différentielle linéaire <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants sans terme du 1^er ordre hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_non_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition non énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] », la présence d'un 2^nd membre constant signifiant que le paramètre caractérisant l'oscillateur dans l'espace n'est pas nul à l'équilibre.</ref> de rotation ; {{Al|5}}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Conséquence_«_le_pendule_de_torsion_(non_amorti)_est_un_oscillateur_harmonique_non_amorti_de_rotation_»|conséquence : le pendule de torsion (non amorti) est un oscillateur harmonique non amorti de rotation]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » ; [[File:Pendule de torsion amorti - vue de dessus.png|thumb|300px|Vue de dessus d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti par substitution d'ailettes planes aux masselottes fixées sur la tige <math>\,\big(</math>les fils de torsion supérieur et inférieur <math>\,\perp\,</math> au plan de la figure ne peuvent y être représentés<math>\big)</math>]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> du }}<math>\big(</math>voir vue de dessus partielle représentée ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre étant écarté initialement comme celui de début de paragraphe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, le pendule ci-contre étant écarté initialement }}la tige acquiert donc une position d'équilibre repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}l'ensemble « tige et ailettes » étant un solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC" /> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant }}le solide est, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant le solide est, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}les actions extérieures sont <math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des ailettes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{ailettte}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des ailettes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des ailettes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{ailette}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu dans lequel se déplace le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] exercent sur les ailettes, modélisées par un <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> }}couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion"> voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Couple_de_frottement_fluide_linéaire_agissant_sur_le_pendule_par_l’intermédiaire_des_ailettes|couple de frottement fluide linéaire agissant sur le pendule par l'intermédiaire des ailettes]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple }}<math>\big[H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}et du fluide sur lequel frottent les ailettes<math>\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide la puissance instantanée }}selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\,</math> est le moment d'inertie du solide « tige + ailettes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et ailettes » en rotation autour de <math>\,\Delta_C\,</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t) - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t) - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1 - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étudié «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta_1\;</math>», équation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}différentielle linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique" /> de rotation ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Loi_horaire_de_position_angulaire_du_pendule_de_torsion_amorti|loi horaire de position angulaire du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ». == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule pesant non amorti à un degré de liberté - forces extérieures.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté <math>\,\big(</math>schématisé ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_non_amorti_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_du_moment_cinétique_scalaire|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant non amorti (à un degré de liberté) par application du théorème du moment cinétique scalaire]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />. {{Al|5}}Ci-contre schéma de face du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] idéale <ref name="liaison idéale"> C.-à-d. dans laquelle on peut négliger les frottements solides.</ref> du solide en rotation autour de l’axe horizontal <math>\,\Delta_O\;</math><ref name="liaison pivot du pendule"> Pour plus de détails voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Présentation_du_pendule_pesant_(non_amorti)_«_P.P.(N.A.)_»|présentation du pendule pesant (non amorti) P.P.(N.A.)]] (liaison pivot avec le point O) » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Non Amorti.</ref> à un degré de liberté ayant un mouvement de rotation imposé par la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] du solide avec l'axe <math>\,\Delta_O</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté }}son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,O</math>, d'axe <math>\,\Delta_O\,</math> orienté par le vecteur unitaire «<math>\;\vec{u}_{\Delta_O}\;</math>» et <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,\color{transparent}{O}</math>, }}de rayon «<math>\;\mathfrak{a}\;</math>» avec, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. }}<math>G\,</math> repéré par son abscisse angulaire «<math>\;\theta_G(t) = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\overrightarrow{OG}(t) \right\rbrace} = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\vec{u}_r(t) \right\rbrace}\;</math>» <ref name="noté theta"> Noté «<math>\;\theta(t)\;</math>» par la suite en absence d'ambiguïté.</ref> ; {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = \left[ \overrightarrow{OG}(t) \wedge m\;\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_O} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids"> Le moment vectoriel du poids par rapport à <math>\,O\,</math> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)\;</math>» a établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_liaison_sphérique_et_avec_les_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b),_établissement_de_la_nature_plane_du_mouvement_du_C.D.I._G_du_P.P.(N.A.)|dans le cas d'une liaison sphérique et avec les C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), établissement de la nature plane du mouvement du C.D.I. G du P.P.(N.A.)]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] », soit «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\varphi_G}(t)\;</math>» avec <math>\,\vec{u}_{\varphi_G}\,</math> s'identifiant à <math>\,\vec{u}_{\Delta_O}</math>. <br>{{Al|3}}On pouvait aussi déterminer directement le moment scalaire du poids, le schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_«_liaison_pivot_»_ou_d’une_«_liaison_sphérique_avec_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b)_»,_nouveau_repérage_adapté_à_la_nature_rotatoire_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_à_un_degré_de_liberté|dans le cas d'une liaison pivot ou d'une liaison sphérique avec C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), nouveau repérage adapté à la nature rotatoire du mouvement du P.P.(N.A.) à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » étant fait avec le paramètre de position angulaire <math>\,\theta > 0</math>, on observe que le poids tend à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,-\,</math> avec un bras de levier <math>\,\big(</math>distance orthogonale séparant l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du support de <math>\,m\;\vec{g}\big)\,</math> égal à <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où, dans le cas où <math>\,\theta\,</math> est <math>\,> 0</math>, {{Nobr|«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)</math>}} <math>= - \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>» <math>\,\Big\{</math>le résultat est indépendant du signe de <math>\,\theta\,</math> mais si le schéma était fait avec <math>\,\theta < 0</math>, on observerait que le poids tendrait à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,+\,</math> avec un bras de levier <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = + \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = m\;g\;\left[ -\mathfrak{a}\; \sin(\theta) \right] = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>», soit effectivement le même résultat <math>\,\big[</math>avec toutefois une possibilité d'erreur si on oubliait que <math>\,\theta < 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert = -\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\big]\Big\}</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_particulier_où_M_est_en_mouvement_circulaire_d'axe_Δ_et_de_vitesse_angulaire_instantanée_Ω(t)|cas particulier où M est en mouvement circulaire d'axe Δ et de vitesse angulaire instantanée Ω(t)]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> de la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I."> Conditions Initiales.</ref> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O"> On a établi dans la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#cite_note-réduction_à_deux_composantes_de_la_réaction_dans_ces_C.I.-18|¹⁸]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » que la réaction du point <math>\,O\,</math> dans l'hypothèse d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] sur le pendule lancé dans les C.I. <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\,</math> ou <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\,</math> s'écrirait <math>\,\vec{R}(t) =</math> <math>R_{\rho_G}(t)\;\vec{u}_{\rho_G}(t) + R_z(t)\;\vec{u}_z</math>, c.-à-d. que la réaction serait dans le plan vertical de lancement soit encore «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» ; <br>{{Al|3}}on établit de même <math>\,\big[</math>sans que cela ait été exposé dans le chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> que la réaction de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le pendule quels que soient les C.I. de lancement compatibles avec la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] s'écrit «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>».</ref> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul"> En effet la force étant <math>\,\perp\,</math> à l'axe par rapport auquel son moment scalaire est évalué est de bras de levier nul.</ref> auquel s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe"> Le couple étant de moment vectoriel <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta_O</math>.</ref> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée à la date <math>\,t\,</math> par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée développée à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|7}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}sans terme du 1^er ordre ; {{Al|5}}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique"> On appelle « [[w:Solution_de_forme_fermée|solution analytique]] » d'une équation différentielle, une expression mathématique <math>\,\big(</math>souvent dite « formule explicite »<math>\big)\,</math> pouvant s'obtenir par une combinaison d'opérations et de [[w:Fonction_de_référence|fonctions de référence]] <math>\,\big(</math>c.-à-d. fonctions affines, puissances, trigonométriques et exponentielles ainsi que leurs fonctions inverses sur un domaine de définition restreint pour lequel il y a bijection et même certaines solutions d'équations différentielles dites de référence<math>\big)</math>, les opérations étant l'addition, la soustraction, la multiplication, la division et l'extraction de racines.</ref> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’élongations_angulaires_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'élongations angulaires non petites]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il est nécessaire de procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="solution analytique dans le cas d'élongations petites"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Cas_particulier_des_«_petites_élongations_angulaires_»,_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_=_oscillateur_harmonique_(non_amorti)_approché_de_rotation,_période_des_«_petites_oscillations_»|cas particulier des petites élongations angulaires, pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) oscillateur harmonique (non amorti) approché de rotation, période des petites oscillations]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. [[File:Pendule pesant amorti à un degré de liberté - forces extérieures - bis.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures, <math>\,I\,</math> étant le point où la résultante des forces de frottement fluide peut être appliquée]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti <math>\,\big(</math>voir coupe partielle représentée ci-contre<math>\big)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire" /> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I." /> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O" /> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul" /> où s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe" /> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu où se déplace le [[w:Pendule_pesant|pendule]] exercent sur ce dernier, modélisées par <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}un couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_O}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti" />{{,}} <ref name="définition de H"> <math>\,H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]], de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frotte le solide.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Amorti.</ref> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0 - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right] - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_O}}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}avec terme linéaire du 1^er ordre ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique" /> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’amplitudes_initiales_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'amplitudes initiales non petites]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il faut procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique - bis"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » nécessitant néanmoins d'ajouter le terme d'amortissement <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A." />. == « En complément », caractère conservatif du couple de torsion, énergie potentielle de torsion et conservation de l’énergie mécanique du pendule de torsion (non amorti) dans le champ de torsion du fil == {{Al|5}}Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » ne sont pas explicités dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » }}il me semble souhaitable de le retenir <math>\,\big(</math>et bien sûr d’être capable de le retrouver<math>\big)</math>. === Caractère conservatif du couple de torsion === {{Al|5}}Le travail élémentaire d’un couple de torsion s’exerçant sur un solide, de vecteur moment «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t) = -C\;\alpha(t)\;\vec{u}_\Delta\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Expression_du_vecteur_moment_du_couple_de_torsion_exercé_par_le_fil_en_fonction_de_l'angle_de_torsion_«_α(t)_»,_notion_de_constante_de_torsion_«_C_»_du_fil_de_torsion|expression du vecteur moment du couple de torsion exercé par le fil de torsion α(t), notion de constante de torsion C du fil de torsion]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> lors d’une torsion élémentaire «<math>\;d \alpha\;</math>» <ref name="définition de Delta et alpha sur le fil de torsion"> <math>\,\Delta\,</math> étant la direction du fil de torsion orienté par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et «<math>\;\alpha\;</math>» l'angle de torsion algébrisé, défini au niveau de la liaison au solide dans le plan <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta\,</math> et orienté par <math>\,\vec{u}_\Delta</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion }}étant défini selon «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>», <math>\,\big[\overline{\Omega}(t)\,</math> étant la vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt}\;</math>», <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \alpha\;</math>»<math>\big]\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> soit finalement <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon }}«<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -C\;\alpha\; d \alpha\;</math>» correspondant à une différentielle de fonction <math>\Rightarrow</math> le <u>caractère conservatif du couple de torsion</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple"> Pour montrer qu’une force est conservative, on évalue son travail élémentaire en prenant un vecteur déplacement élémentaire quelconque <math>\,\overrightarrow{dM}\,</math> à partir du point d'application <math>\,M\,</math> de la force <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#2ème_définition_(équivalente)_d'une_force_«_conservative_»|2^ème définition (équivalente) d'une force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> ; <br>{{Al|3}}lorsqu'il s’agit d'un couple de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, il faut évaluer son travail élémentaire en envisageant une rotation élémentaire quelconque autour de n'importe quelle direction, le couple est alors conservatif si ce travail élémentaire est une différentielle de fonction mais <br>{{Al|3}}{{Transparent|lorsqu'il s'agit d'un couple }}dans le cas d’un couple de torsion de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, la seule direction autour de laquelle peut s’effectuer une rotation élémentaire est celle du fil c.-à-d. celle de <math>\,\vec{\Gamma}\,</math> et par suite la seule condition pour que le couple de torsion soit conservatif est que son travail élémentaire en considérant une rotation élémentaire autour de la direction du fil de torsion soit une différentielle de fonction ou encore que « le moment scalaire du couple de torsion par rapport au fil ne dépende que de l'angle de torsion <math>\,\alpha\;</math>» C.Q.E.R. <math>\,\big(</math>Ce Qui Est Réalisé<math>\big)</math>.</ref>. === Énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion === {{Al|5}}L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,U_{\text{tors}}\,</math> dont « dérive » le couple de torsion de vecteur moment <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}est définie par «<math>\,\delta W_{\text{tors}} = -dU_{\text{tors}}\,</math>» <ref name="énergie potentielle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#1ère_définition_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|1^ère définition de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> c.-à-d. «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(\alpha)\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\,</math> ou <math>\,-C\;\alpha\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <math>\Leftrightarrow</math> «<math>\;\dfrac{dU_{\text{tors}}}{d \alpha} = C\;\alpha\;</math>» soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}en intégrant «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2 + cste\;</math>» ; choisissant la référence de l’énergie potentielle de torsion <math>\;U_{\text{tors}}(\alpha)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle"> C.-à-d. l'endroit où l'énergie potentielle est choisie nulle.</ref> <br>{{Al|7}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> en intégrant «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\alpha) = 2\; C\;\alpha^2 + cste}\;</math>» ; choisissant la référence }}quand le fil n’est pas tordu c.-à-d. <math>\,U_{\text{tors}}(0) = 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = 0</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}l'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d’un fil et sa conservation en absence de frottement === [[File:Pendule de torsion sans masselottes - actions exercées.png|thumb|500px|Schéma d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] représenté sans masselottes additives et avec fil inférieur sans torsion avec ajout des actions exercées sur la tige à l'instant <math>\;t</math>]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec un seul fil de torsion, l'autre fil étant sans torsion <math>\,\big(</math>voir schéma ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec un seul fil de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}la seule action extérieure de moment scalaire non nul par rapport à la direction <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}commune du fil de torsion et du fil sans torsion <math>\;\big(</math>orientée par le vecteur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> étant le couple « conservatif » de torsion <ref name="conservativité du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Caractère_conservatif_du_couple_de_torsion|caractère conservatif du couple de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}moment vectoriel «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}} = -C\;\alpha\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion /> auquel on associe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie potentielle de torsion du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre valant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;U_{\text{tors}}(t) =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion énergie potentielle de torsion }}<math>\,\dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_torsion_du_solide_relié_au_fil_de_torsion|énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}son énergie cinétique à la date <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{pend. tors.}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique }}<math>J_{CO_{\text{sup}}}\,</math> est le moment d'inertie du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] relativement à la <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique <math>\color{transparent}{J_{CO_{\text{sup}}}}\,</math> est }}direction du fil de torsion et du fil sans torsion <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à l'instant <math>\,t\,</math> selon «<math>\;E_m(t) = K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Propriétés_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|propriétés de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] (2^ème propriété) » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>E_m(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha_0 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\alpha(0) = \alpha_0\;</math> et <math>\,\dot{\alpha}(0) = 0\;</math>». [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]]]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige <math>\,\big(</math>voir photographie ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec deux fils de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}il y a deux actions extérieures s'exerçant sur le solide « tige + masselottes » de moment scalaire non nul par rapport à <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}la direction commune <math>\,\Delta_C\,</math> des deux fils de torsion <math>\,\big(</math>orientée par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}élémentaire du solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}prouve le <u>caractère conservatif du couple de torsion du fil supérieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}supérieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = -d U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta = -d U_{\text{tors. sup.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. sup.}}}{d \theta} = C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\,</math> qui s'intègre en <math>\,U_{\text{tors. sup.}}</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,= \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> et, en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. sup.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du solide à l'équilibre » c.-à-d. <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre"> Revoir l'explication rappelée dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans le chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil supérieur du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta_1 - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_1 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion"> Symboliquement l'énergie potentielle d'un solide dans le champ de torsion d'un fil de torsion s'obtient, à une constante additive près, par la moitié du produit de la constante de torsion du fil et du carré de l'angle de torsion, à l'instant <math>\;t</math>, du fil au point d'attache du solide.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation élémentaire du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\; \theta(t)\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et prouve le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<u>caractère conservatif du couple de torsion du fil inférieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}inférieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = -d U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\;\theta\;d \theta = -d U_{\text{tors. inf.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. inf.}}}{d \theta} = C\; \theta\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{tors. inf.}} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} + cste_2\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. inf.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position du solide à l'équilibre » c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil inférieur du solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2} + cste_2 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_2 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}finalement l'énergie potentielle globale de torsion du solide « tige + masselottes » <math>\,\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale }}s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = U_{\text{tors. sup.}}(\theta) + U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» ou, en simplifiant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale s'écrit }}«<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2\;</math>» <ref> En effet <math>\,\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + 2\;C\; \theta_1^{\,2} + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + C\; \theta_1^{\,2} = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2</math>.</ref>{{,}} <ref> Cette énergie potentielle de torsion du solide « tige + masselottes » est la même que celle que l'on obtiendrait avec un seul fil de torsion de constante de torsion <math>\,2\,C</math>, l'autre fil étant sans torsion avec la référence en la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>.</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule ci-dessus étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «<math>\;\color{transparent}{K_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#%Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torion par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique de l'ensemble tige + masselottes) » plus haut dans ce chapitre.</ref> avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule }}<math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion des deux fils définie, à l'instant <math>\,t\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie mécanique }}«<math>E_m(t) = K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}\! \left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>E_{m,\,0} = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\alpha\;</math>» dans le 1^er exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] ou <br>{{Al|57}}celui «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta - \theta_1 \right]^2 \,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du 2^ème exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|même]] paragraphe <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}étant parabolique, nous retrouvons la <u>2^ème définition d’un oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math>de rotation<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_(équivalente)_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition (équivalente) énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. <br>{{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> de son mouvement dans le 2^ème exemple du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}«<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2 = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>», <br>{{Al|58}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}les C.I. <ref name="C.I." /> étant «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}est donc une <u>ellipse décrite dans le sens horaire</u> <ref name="portrait de phase d'un socillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Tracé_du_portrait_de_phase_de_la_charge_du_condensateur_d'un_«_R_L_C_série_»_soumis_à_un_échelon_de_tension_suivant_le_cœfficient_d'amortissement|propriétés des portraits de phase de la charge du condensateur d'un RLC série soumis à un échelon de tension suivant le cœfficient d'amortissement]] (cas d'un circuit oscillant non amorti en vert) » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. == Conservation de l’énergie mécanique du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) dans le champ de pesanteur uniforme == === Énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant === {{Al|5}}Dans le cas d'un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref><math>\big)</math>, le poids du solide étant la seule action extérieure travaillant et ce dernier étant conservatif <ref name="poids d'un objet conservatif"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Établissement_du_caractère_«_conservatif_»_du_poids_d'un_point_matériel_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|établissement du caractère conservatif du poids d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, }}on lui associe l'énergie potentielle de pesanteur «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta)\;</math>» <ref name="énergie potentielle de pesanteur"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#«_Énergie_potentielle_de_pesanteur_d'un_point_matériel_»_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|énergie potentielle de pesanteur d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> déterminée en intégrant «<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = -dU_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> avec <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)\,</math> travail élémentaire du poids lors d'une rotation élémentaire d'angle <math>\,d \theta = \dot{\theta}(t)\;dt\,</math> autour de <math>\,\Delta_O\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe «<math>\;\color{transparent}{\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)}\,</math>}}<math>= \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;dt = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)\;dt = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;d \theta\;</math>» <ref name="travail élémentaire du poids du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (actions extérieures exercées sur le solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> d'où <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}<math>\,-dU_{\text{pes}} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\;d \theta\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{pes}}}{d \theta}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\,</math> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right) + cste\;</math>» <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}soit, en choisissant comme référence de l'énergie potentielle <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> « la position <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}d'équilibre stable de ce dernier <ref name="équilibre stable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessous de ce dernier.</ref> <math>\,\theta_{\text{éq. stable}} = 0\;</math>» d'où <math>\,U_{\text{pes}}(0) = 0\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}<math>\Rightarrow</math> <math>\,0 = -m\;g\;\mathfrak{a} + cste\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = m\;g\;\mathfrak{a}\,</math> d'où l'expression de <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}l'énergie potentielle de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> se réécrit selon <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta \right) \right]\;</math>» <ref> Pour trouver l'expression de l'énergie potentielle de pesanteur on peut aussi utiliser <math>\,\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = m\;g\;dz_G = -dU_{\text{pes}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{pes}} = -m\;g\;z_G + cste\,</math> sachant que <math>\,z_G = \mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right)\,</math> avec pour position d'équilibre stable <math>\,z_{G,\,\text{éq. stable}} = \mathfrak{a}</math> <math>\;\ldots</math></ref> <math>\,\big(</math>référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : la position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement === {{Al|5}}Considérant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A." /><math>\big)</math>, l'énergie potentielle de pesanteur étant «<math>\;U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right] = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\,</math> avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> <math>\,\theta_{\text{équi. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P."/> » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> et <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie cinétique du solide constituant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique du solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> dans laquelle <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie cinétique}}«<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du solide par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie mécanique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> dans le champ de pesanteur «<math>\;E_m\!(t) = K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) + U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right]</math> <br>{{Al|23}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie mécanique du P.P.N.A. dans le champ de pesanteur «<math>\;\color{transparent}{E_m\!(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{P.P.N.A.}}(t) + U_{\text{pes}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P..P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>E_{m,\,0} = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\,\left[ 1 - \cos(\theta) \right]\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}n'étant pas parabolique <math>\,\big(</math>mais sinusoïdal<math>\big)</math>, nous pouvons affirmer que <u>le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> n'est pas un oscillateur harmonique</u> <math>\,\big(</math>quand il est en situation d'osciller<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <math>\blacktriangleright\;</math>« oscillatoire pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'énergie mécanique initiale du P.P.N.A. vaut «<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^2 + m\;g\; \mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta_0 \right) \right]\;</math>».</ref> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. est }}<math>\blacktriangleright\;</math>« révolutive pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="étude du mouvement d'un P.P.N.A. par diagramme d'énergies"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Étude_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_dans_le_cas_général_des_élongations_angulaires_non_petites_par_diagramme_énergétique|étude du mouvement du P.P.(N.A.) dans le cas général des élongations angulaires non petites par diagramme énergétique]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}de démontrer, avec utilisation simultanée de l'intégrale 1^ère énergétique <ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'intégrale 1^ère énergétique du P.P.N.A. s'écrit «<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^{\,2} + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet de démontrer, }}la nature « périodique <math>\,\big(</math>oscillatoire ou révolutive<math>\big)\;</math>» ainsi que <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}d’établir l’expression de la période sous forme intégrale <math>\ldots</math> {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Les [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d’un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ayant pour équation implicite l’intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\;</math><ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" /> de son mouvement lequel dépend de la valeur de l'énergie mécanique initiale <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />, <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. }}diffèrent suivant <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="différents portraits de phase d'un P.P.N.A."> Voir les paragraphes « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Tracé_des_portraits_de_phase_dans_le_cas_général_«_d'oscillations_ou_de_mouvement_révolutif_»_d'un_P.P.S._lancé_dans_les_C.I._«_1b_U_1a_»|tracé des portraits de phase dans le cas général d'oscillations ou de mouvement révolutif d'un P.P.S. lancé dans les C.I. 1b U 1a]] » du chap.<math>12</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\,\big(</math>l'allure des [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti étant la même que ceux d'un [[w:Pendule_simple|pendule simple]] non amorti<math>\big)\,</math> et « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Différents_portraits_de_phase_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté),_«_bifurcation_»_entre_mouvement_«_pendulaire_»_et_révolutif|différents portraits de phase du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté), bifurcation entre mouvement pendulaire et révolutif]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>pendulaire</u> <ref name="pendulaire"> Adjectif synonyme d'« oscillatoire ».</ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>fermé</u>, décrit dans le « <u>sens horaire</u> » <ref name="justification du sens horaire"> Ou « trigonométrique indirect », en effet « quand <math>\,\dot{\theta}\,</math> est <math>\,> 0</math>, <math>\,\theta \nearrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \nearrow\,</math> puis <math>\,\searrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule » ensuite «<math>\;\dot{\theta}\,</math> est <math>\,< 0</math>, correspondant à <math>\,\theta \searrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \searrow\,</math> puis <math>\,\nearrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule de nouveau » <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}avec le point «<math>\;\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)\;</math>» comme « <u>centre de </u>{{Nobr|<u>symétrie</u> » <ref name="justification du centre de symétrie"> Invariance de l’équation en changeant «<math>\;\theta\,</math> en <math>\,-\theta\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des vitesses angulaires <math>\,\big(</math>en fait antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>» et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Invariance de l’équation }}en changeant «<math>\;\dot{\theta}\,</math> en <math>\,-\dot{\theta}\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des abscisses angulaires <math>\,\big(</math>là encore c'est une antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|3}}l’association des deux symétries axiales <math>\,\big(</math>ou plutôt des deux antisymétries axiales<math>\big)\,</math> donnant un centre de symétrie pour l'intersection des deux axes <math>\,\big[</math>le point d'intersection des deux axes étant réellement une symétrie centrale <math>\,\big(</math>et non une antisymétrie centrale<math>\big)</math>.</ref>}} <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, avec le point «<math>\;\color{transparent}{\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)}\;</math>» }}correspondant à la position d’équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /> du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ; <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> }}<math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>révolutif</u>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>ouvert</u>, constitué de la <u>répétition du motif de l'intervalle</u><math>\;\left] -\pi\, , \, \pi \right]</math>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase }}répété <math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \nearrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} > 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 > 0\;</math>» ou <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase répété }}<math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \searrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} < 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 < 0\;</math>», <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)\;</math>» et celui avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,-\dot{\theta}_0 > 0 \right)\;</math>» <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, le portrait de phase avec C.I. «<math>\;\color{transparent}{\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)}\;</math>» }}étant <u>antisymétriques</u> l'un de l'autre, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>maxima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre stable</u> <ref name="équilibre stable du P.P." /> «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres stables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» ;<br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}\;</math>»<math>\big)\;</math> alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big)</math>.</ref> et <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>minima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre instable</u> <ref name="équilibre instable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessus de ce dernier.</ref> «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;</math> <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, les minima de<math>\;\color{transparent}{\vert \dot{\theta} \vert}\;</math>obtenus pour les positions d’équilibre instable «<math>\;\color{transparent}{\theta_{\text{éq. inst.}} =}</math> }}<math>\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres instables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = -\left( 2\;p' + 1 \right)\, \pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big[</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big]\;</math>.</ref>. == « Généralisation » à tout « solide » : « théorème de la variation de l’énergie mécanique » et la forme locale associée « le théorème de la puissance mécanique », application au cas d’un solide amorti == {{Al|5}}Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à la généralisation à tout système de points matériels ou continu de matière « indéformable » <ref name="solide au sens de la mécanique" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à }}la généralisation aux systèmes de points matériels ou continus de matière « déformables » sera faite dans le chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Lois_de_l'énergie_cinétique_pour_un_système_déformable_de_points_matériels#«_En_complément_»,_théorème_de_la_variation_de_l’énergie_mécanique_appliqué_à_un_système_de_matière_déformable_dans_le_champ_des_forces_extérieures_et_intérieures_conservatives_et_sa_forme_locale_«_le_théorème_de_la_puissance_mécanique_»|en complément : théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un système de matière déformable dans le champ des forces extérieures et intérieures conservatives et sa forme locale le théorème de la puissance mécanique]] » du chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. === Théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s’écrivant «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\bullet\;</math>celles qui sont conservatives <math>\,\big(</math>lesquelles « dérivent » d’une énergie potentielle<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{ransparent}{\bullet}\;</math>}}dont le travail pendant cette durée finie est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées }}<math>\bullet\;</math>celles qui sont non conservatives <ref name="non conservatives"> Ou, si elles sont conservatives, dont on ne considère pas le caractère « conservatif ».</ref> dont le travail pendant cette durée finie <br>{{Al|12}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>celles qui sont non conservatives dont }}est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}d'où «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou, avec «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, }}<math>\big(U_{\text{ext}}\,</math> étant l'énergie potentielle dont dérivent les forces conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, <math>\color{ransparent}{\big(}</math>}}définie à une constante additive près précisée par choix de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}<math>\Rightarrow</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» d’où la réécriture du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « solide <math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\left( \mathcal{S} \right)} + U_{\text{ext}} \right] = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» où on reconnaît dans le 1^er membre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}la variation de l’énergie mécanique «<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t) + U_{\text{ext}}\!(t)\;</math>» du solide «<math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le champ des forces conservatives sur la durée <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> dans le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où dans le champ des forces conservatives }}référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen d'où, finalement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}le lien entre la variation de l'énergie mécanique du « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;\Delta E_m = E_{m,\,\mathcal{F}} - E_{m,\,\mathcal{I}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» le lien }}le travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> sur cette même durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}«<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» applicable à un solide dans un référentiel d’étude galiléen, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}l'énoncé du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie dans un référentiel galiléen <ref> Ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. sous la forme où il existe des forces extérieures non conservatives dissipatives mais, comme le cas où toutes les forces extérieures travaillant sont conservatives est clairement explicité <math>\,\big(</math>sous la forme de la conservation de l’énergie mécanique du solide<math>\big)</math>, le cas où il existe des forces extérieures travaillant et non conservatives <math>\,\big(</math>comme des forces de frottement<math>\big)\,</math> s’appliquant à un solide peut difficilement être ignoré d'où l'ajout du théorème sous sa forme la plus générale <math>\;\ldots</math></ref>. : {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}<math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <math>\,K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation «<math>\;\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» }}égale au travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale au travail }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire dans un référentiel galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique }}se déduit aisément de sa forme sur une durée finie soit {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}conservatives <math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}<math>K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> <math>\color{transarent}{K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)}\,</math> l'énergie cinétique }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation élementaire«<math>\;d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t)\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» }}égale au travail élémentaire des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» égale au travail }}appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;d E_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide }}est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée finie ou élémentaire se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>». === Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de la puissance mécanique est la forme locale associée à la forme intégrée <ref name="forme intégrée de forme locale" /> “ théorème de la variation de l'énergie mécanique sur une durée finie ou élémentaire ” ; {{Al|5}}pour obtenir cette forme locale on écrit le théorème de la variation de l’énergie mécanique d’un solide dans le champ des forces extérieures conservatives entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math><ref> C.-à-d. la forme élémentaire du théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un solide.</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on écrit }}«<math>\;dE_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\,</math> dans un référentiel galiléen » puis, <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on divise les deux membres par <math>\,dt\,</math> soit «<math>\;\dfrac{dE_m}{dt} = \dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{dE_m}{dt}\;</math>» est la dérivée temporelle de l’énergie mécanique du solide dans le champ des forces extérieures conservatives définissant <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}la puissance mécanique du solide à l'instant <math>\,t\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives, notée «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» la puissance instantanée développée, à l'instant <math>\,t</math>, par les forces extérieures non conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}appliquées au solide notée «<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on obtient «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» d'où l'énoncé du théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen : {{Théorème|titre=Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide »|contenu = {{Al|5}}La puissance mécanique à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> <math>\big[</math>avec, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie mécanique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{ext}}(t)}\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces }}conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math>» l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique }}est égale à la puissance instantanée développée par les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique est égale à }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> au même instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide à un instant <math>\,t\,</math> quelconque se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}c.-à-d., après intégration, « la conservation de l’énergie mécanique du solide précédemment défini ». === Application au cas d’un solide amorti === {{Al|5}}Parmi les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées à un solide et travaillant, « les plus fréquentes sont dissipatives » <ref> Mais elles peuvent aussi être motrices par exemple, si nous souhaitons que les oscillations d’un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ou d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] perdurent alors qu’existent naturellement des frottements {{Nobr|<math>\,\big(</math>même}} minimes<math>\big)</math>, il est nécessaire de les entretenir à l’aide d’une force extérieure motrice compensant les forces de frottement, cette force motrice étant alors usuellement non conservative tout comme le sont les forces de frottement.</ref> comme les forces de frottement fluide <math>\,\big(</math>ou solide<math>\big)</math> ; {{Al|5}}si les seules forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> travaillant sont des forces de frottement s'exerçant sur un solide en mouvement dans un référentiel galiléen, <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces }}conservatives <ref name="théorème de la puissance mécanique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_la_puissance_mécanique_appliqué_à_un_«_solide_»|théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}s’écrivant «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{frott}}\!(t) < 0\;</math>» dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}l'énergie mécanique de ce solide «<math>\;E_m(t) \searrow\,</math> au sens strict » avec <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}</math> <math>\big(</math>il est qualifié d'« amorti »<math>\big)</math>. ==== Cas particulier du pendule de torsion amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] dont la photographie est dans un « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|paragraphe plus haut dans ce chapitre]] » mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}avec les masselottes remplacées par des ailettes comme présenté dans le schéma de vue de dessus de la « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|remarque du paragraphe précité]] », {{Al|5}}aux deux couples extérieurs de torsion conservatifs s'exerçant sur le solide « tige + ailettes » et « dérivant » de l'énergie potentielle de ce dernier dans le champ de torsion des deux fils, à savoir «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) =</math> <math>\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <math>\;\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre du solide <math>\;\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big)\;</math><ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d'un fil et sa conservation en absence de frottement]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, il convient d'ajouter {{Al|5}}le « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Couple_de_frottement_fluide_linéaire_agissant_sur_le_pendule_par_l’intermédiaire_des_ailettes|couple de frottement fluide linéaire agissant sur le pendule par l'intermédiaire des ailettes]] » dont le moment scalaire relativement à l'axe <math>\;\Delta_C\;</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C} = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» établi au chap.<math>7</math> de la leçon « Mécanique 2 (PCSI) » <math>\;\big[H\;</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frottent les ailettes<math>\big]\;</math> montre qu'il est non conservatif <ref name="raison du caractère non conservatif"> En effet pour que ce couple soit conservatif il faudrait que son moment scalaire ne dépende que de <math>\;\theta\;</math> ou soit constant mais en aucun cas dépendant de <math>\;\dot{\theta}</math>.</ref>, la puissance du couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\;t</math>, selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant «<math>\;E_m(t) = K(t) + U_{\text{tors}}\!\left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2\!(t) + \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2}\!(t) - C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d'un fil et sa conservation en absence de frottement]] » plus haut dans ce chapitre en remplaçant « solide + masselottes » par « solide + ailettes ».</ref> à l'instant <math>\;t\;</math> dans le référentiel d'étude <math>\;\mathcal{R}</math>, <math>\;\big[J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;</math> étant le moment d'inertie du solide « tige + ailettes » relativement à l'axe commun <math>\;\Delta_C\;</math> des deux fils <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /><math>\big]\;</math> on en déduit aisément, dans <math>\;\mathcal{R}\;</math> et à l'instant <math>\;t</math>, la puissance mécanique du solide « tige + ailettes » dans le champ de torsion des fils en formant <math>\;\dot{E}_m(t) = \dfrac{d E_m}{dt}(t)\;</math> puis {{Al|5}}l’application du théorème de la puissance mécanique au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> nous conduit à «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» ou «<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» soit encore, {{Al|5}}en explicitant la dérivée temporelle de l’énergie mécanique puis en divisant par «<math>\;\dot{\theta}\!(t)\;</math>», l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon «Mécanique 2 (PCSI)» à savoir <center>«<math>\;J_{\Delta_C}\!\left( \text{tige} + \text{ailettes} \right)\;\ddot{\theta}(t) + H\;\dot{\theta}(t) + 2\;C\;\theta(t) = 2\;C\;\theta_1\;</math>».</center> ==== Cas particulier du pendule pesant à un degré de liberté amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] à un degré de liberté du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre avec des frottements fluides linéaires comme présenté dans la vue de profil de la remarque du paragraphe précité, {{Al|5}}à la force extérieure «<math>\;m\;\vec{g}\;</math>», conservative, s'exerçant sur le P.P.A. <ref name="P.P.A." /> et « dérivant » de l'énergie potentielle de pesanteur de ce dernier, à savoir «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) =</math> <math>m\;g\;\mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos(\theta) \right]\;</math>» <math>\;\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre stable du solide <math>\;\theta_{\text{éq. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P." /><math>\big)\;</math><ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, il convient d'ajouter {{Al|5}}les forces de frottement fluide linéaire dont le moment scalaire relativement à l'axe <math>\;\Delta_O\;</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t) = -H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» a été établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « Mécanique 2 (PCSI) » <math>\;\big[H\;</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du pendule, de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel il frotte<math>\big]\;</math> montre que ces forces de frottement est un système non conservatif <ref name="raison du caractère non conservatif" />, la puissance de ces forces de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\;t</math>, selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right] =</math> <math>\mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t)\;\dot{\theta}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}l'énergie mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> étant «<math>\;E_m(t) = K(t) + U_{\text{pes}}\!\left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> à l'instant <math>\;t\;</math> dans le référentiel d'étude <math>\;\mathcal{R}</math>, <math>\;\big[J_{\Delta_O}\;</math> étant le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> relativement à son axe <math>\;\Delta_O\;</math> de rotation <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /><math>\big]\;</math> on en déduit aisément, dans <math>\;\mathcal{R}\;</math> et à l'instant <math>\;t</math>, la puissance mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en formant <math>\;\dot{E}_m(t) = \dfrac{d E_m}{dt}(t)\;</math> puis {{Al|5}}l’application du théorème de la puissance mécanique au P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> nous conduit à «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right]\;</math>» ou «<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» soit encore, {{Al|5}}en explicitant la dérivée temporelle de l’énergie mécanique puis en divisant par «<math>\;\dot{\theta}\!(t)\;</math>», l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon «Mécanique 2 (PCSI)» à savoir <center>«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) + H\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>».</center> == Notes et références == <references /> {{Bas de page | idfaculté = physique | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie|Approche énergét. du mouv. d'un sol. en rotat. autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels|Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels]] }} gtsiyrhkd8y026khrs48an1j3kdacup 987934 987933 2026-10-31T13:08:04Z Phl7605 31541 /* Cas particulier du pendule de torsion amorti par frottement fluide linéaire */ 987934 wikitext text/x-wiki {{Chapitre | idfaculté = physique | numéro = 12 | niveau = 14 | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie/]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels/]] }} <center>Ce chapitre est traité dans le cadre de la dynamique newtonienne avec ajout de quelques éléments de dynamique relativiste.</center> == Théorème de l'énergie cinétique d’un système de matière, cas d’un solide en rotation autour d’un axe fixe == {{Al|5}}Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}est évidemment à connaître comme forme intégrée de la forme locale <ref name="forme intégrée de forme locale"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Lois_de_la_puissance_et_de_l'énergie_cinétiques#Différence_entre_«_forme_locale_de_la_dynamique_»_et_«_forme_intégrée_associée_à_cette_forme_locale_»|différence entre forme locale de la dynamique et forme intégrée associée à cette forme locale]] » du chap.<math>15</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> « théorème de la puissance <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}cinétique d'un système de matière » laquelle est inscrite explicitement dans le programme <math>\;\ldots</math> === Définition du travail du système des forces extérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque"> Par « système de matière quelconque » il faut entendre « système fermé discret de points matériels ou continu de matière » « déformable ou non ».</ref> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1"> A priori <math>\,N\,</math> pourrait être égal à <math>\,1\,</math> mais ce ne serait plus un système de points matériels mais un simple point matériel.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes"> C.-à-d. l’ensemble des paramètres de position et de vitesse de tous les points à l'instant de définition de l'état, tous ces paramètres permettant d’y décrire le système.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> entre }}l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Expression_du_travail_élémentaire_de_la_force_dont_le_point_d’application_subit_le_vecteur_déplacement_élémentaire_correspondant_à_la_durée_élémentaire_de_développement_de_sa_puissance|expression du travail élémentaire de la force dont le point d'application subit le vecteur déplacement élémentaire correspondant à la durée élémentaire de développement de sa puissance]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - bis"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="infiniment proches"> Instants infiniment proches.</ref>, son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité volumique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance volumique <math>\,\mathcal{P}_{\text{vol},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t)</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité surfacique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance surfacique <math>\,\mathcal{P}_{\text{surf},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) =</math>}} <math>\sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité linéique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance linéique <math>\,\mathcal{P}_{\text{lin},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right] dt\;</math>».</ref>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« chaque point <math>\,\color{transparent}{M_i}\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> entre «<math>\;\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\;</math>» }}son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\,</math> étant aussi tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces extérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces extérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" />. === Définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est également présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2"> Pour l'existence de forces intérieures appliquées à un système, <math>\,N\,</math> doit être évidemment <math>\,\geqslant\,</math> à <math>\,2</math>.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes" /> et l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" /> sachant que <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir }}le système des forces intérieures s'exerçant sur le système discret fermé de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le système des forces intérieures }}est défini comme « l'ensemble des forces <math>\,\vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t)\,</math> que chaque point <math>\,M_j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, exerce sur chaque point <math>\,M_i,\;\;i \neq j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math>» <ref name="système de forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Forces,_principe_des_actions_réciproques#Système_des_forces_intérieures_s’exerçant_sur_un_système_de_points_matériels_fermé|système des forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math> entre les instants <math>\;t\;</math> et <math>\;t + dt\;</math> selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i} \right]\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - ter"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> dans lequel, chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \mu(M')\;d \mathcal{V}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t)</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bivolumique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}}{d \mathcal{V}_{M'}\;d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \sigma(M')\;d S_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\;</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t)</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bisurfacique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}}{d S_{M'}\;d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \lambda(M')\;d \mathit{l}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t)</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\;\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bilinéique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}}{d \mathit{l}_{M'}\;d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace dt\;</math>».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces intérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces intérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière" />. {{Al|5}}<u>Remarque 1</u> : Le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures }}peut aussi être défini à partir de la puissance instantanée développée par les forces intérieures s’exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="définition de la puissance développée par les forces intérieures"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Définition_2|définition]] (de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures peut aussi être défini }}selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - tetra"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : }}le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}s'obtenant en ajoutant tous les travaux élémentaires de <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}peut se calculer à partir de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> peut se calculer }}par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>». {{Al|5}}<u>Remarque 2</u> : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math><ref name="définition du référentiel Rj"> Le référentiel «<math>\;\mathcal{R}_j\;</math>» est le référentiel lié à <math>\,M_j\,</math> en translation par rapport au référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#cite_note-puissance_des_forces_intérieures_s'exerçant_sur_système_continu_de_matière_-_ter-55|⁵⁵]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> dans le référentiel <math>\,\color{transparent}{\mathcal{R}}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}_{\text{int}}(t)}</math> }}<math>= \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Autres_expressions_équivalentes|autres expressions équivalentes]] de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj"> Le point <math>\,M_i\,</math> décrivant dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_j</math> <math>\,\big[</math>lié à <math>\,M_j\,</math> et en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\big]\,</math> une trajectoire particulière <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}\;</math> entre les deux instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t)\big]\,</math> étant tangent à <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}</math>.</ref> ou <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures «}}<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right]\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : }}de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière" />{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" />{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" />. {{Al|5}}<u>Remarque 3</u> : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nulle <ref name="puissance des forces intérieures en général non nulle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (1^ère conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu"> Système discret de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique"> Le système se comporte donc comme un solide au sens de la mécanique.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures nulle pour un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (3^ème conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = 0\;\;\forall\;t\,</math> pour <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = 0\;\;\forall\;\left[ t\,,\,t + dt \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> le devient }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = 0\;\;\forall\;\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> ». === Théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Partant du théorème de la puissance cinétique appliqué, à l'instant <math>\,t</math>, à un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Énoncé|énoncé]] du théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> dans lequel <math>\,\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math> est la puissance cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{ext}}(t)\,</math> la puissance développée par les forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\,</math> celle développée par les forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la même date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on multiplie par <math>\,dt\,</math> pour obtenir la forme élémentaire du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir la forme élémentaire }}entre «<math>\;t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\;</math>» où <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> est la variation élémentaire d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{ext}}\,</math> le travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{int}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur le même <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on intègre entre <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique }}entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec <math>\,\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\,</math> variation d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\,</math> }}sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> le travail des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> le travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> celui des forces intérieures }}sur le même <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>. {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> étant nul quel que soit le mouvement du système » <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Définition_du_travail_du_système_des_forces_intérieures_appliquées_à_un_«_système_de_matière_»_entre_un_état_initial_et_un_état_final|définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un système de matière entre un état initial et un état final]] (remarque 3) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul }}<math>\Rightarrow</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide sous sa forme élémentaire ou <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide }}sur une durée finie : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière en translation » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière"> Système fermé discret fermé de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> en translation » <ref name="système en translation"> Un « système de matière en translation » ne se déformant pas peut aussi être qualifié de « solide » au sens de la mécanique.</ref>, tous les points ont le même vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> égal à celui du C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> <math>\,G\,</math> du système, d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\!G}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <ref name="signification du travail élémentaire développé par les forces extérieures appliquées à un système en translation"> Dans cette 3^ème expression «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» est aussi « le travail élémentaire qui serait développé, sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\,t + dt \right],</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>, par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans <math>\,\mathcal{R}\;</math>» <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», ce dernier s'obtenant par application du théorème du mouvement du C.D.I. <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Principe_fondamental_de_la_dynamique_et_théorème_de_la_résultante_cinétique#Énoncé_du_théorème_(dynamique_newtonienne)|énoncé du théorème (dynamique newtonienne)]] du mouvement du C.D.I. d'un système » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> correspondant aussi à l'application de la r.f.d.n. <math>\,\big(</math>relation fondamentale de la dynamique newtonienne<math>\big)\,</math> au point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>» sur lequel s'exercerait la résultante dynamique<math>\big\}</math>.</ref> dans laquelle «<math>\;\vec{F}_{\text{ext}}(t)\;</math> est la résultante <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}«}}dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» <ref> Voir les paragraphes « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_en_translation_»|cas d'un système de matière en translation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » et « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissancce développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces intérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{int},\,\text{syst. en transl.}} = 0\;</math>» <ref name="système en translation" />{{,}} <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>de la variation élémentaire de l'énergie cinétique du système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en transl.}}\;</math>» avec «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2</math>» <ref name="signification de l'énergie cinétique d'un système en translation"> Dans cette 2^ème expression «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» est aussi « l'énergie cinétique newtonienne du point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans {{Nobr|<math>\,\mathcal{R}\,</math>»}} <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», tous les points du système en translation ayant même vitesse que le C.D.I. <math>\,G\big\}</math>.</ref> l'énergie cinétique <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, dans le cadre de la cinétique newtonienne <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en translation"> Voir le paragraphe « énergie cinétique dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Cas_d'un_système_en_translation|cas d'un système en translation]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique }}appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" />{{, }} <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque dans un référentiel galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> nous obtenons : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un référentiel <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière en translation <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> étant le C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> et <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =}</math> }}la résultante dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\,</math> ou <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste"> Applicable sous cette forme dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste.</ref> avec <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\,</math>».}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="système fermé de matière" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système en translation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =</math> <math>K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail effectué par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail effectué par la résultante dynamique }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <br>{{Al|208}}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Ce théorème <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais il doit bien sûr être connu <ref> Sans doute ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. car on considère usuellement un système de matière en translation comme un point matériel <math>\,\big(</math>le C.D.I. <math>\,G\,</math> du système<math>\big)\,</math> sur lequel s'exerce la résultante dynamique du système et, selon ce point de vue, le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un système de matière en translation n'est rien d'autre que le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un point matériel, lequel est, quant à lui, au programme <math>\;\ldots</math></ref>. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}<u>Préliminaire</u> : Un « système <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » peut, a priori, se déformer <ref name="système en rotation autour d'un axe"> Par exemple, en se dilatant, c.-à-d. que chaque point du système, en plus de sa rotation autour d'un axe fixe, s'éloigne radialement de cet axe <math>\,\big(</math>la vitesse d'éloignement pouvant être différente d'un point à un autre<math>\big)\,</math> mais dans ce cas il ne s'agit pas d'une rotation « pure » <math>\;\ldots</math> <br>{{Al|3}}Pour maintenir une même vitesse angulaire à un instant <math>\,t\,</math> pour tous les points d'un « système déformable », il faut que le mouvement orthoradial de chacun des points soit corrélé au mouvement radial correspondant, avec absence de mouvement axial, c.-à-d. que, pour deux points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> tels que la droite <math>\,M_iM_j\,</math> recoupe l'axe <math>\,\Delta\,</math> perpendiculairement en <math>\,H_{i,\,j}</math>, <math>\,\big[</math>les points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> ayant donc même abscisse angulaire <math>\,\theta_{i,\,j}(t)\big]\,</math> on ait <math>\,\dot{\theta}_{i,\,j}(t) = \overline{\Omega}(t)</math> <math>\,\big[</math>donc indépendant de <math>\,\left( i\,,\, j \right)\big]\,</math> pour tout instant <math>\,t\,</math> et pour tout couple <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> dont les éléments ont même abscisse angulaire, ces conditions étant très contraignantes sont quasiment jamais réalisées naturellement <math>\;\ldots</math></ref>, toutefois, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Préliminaire : un « système <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>fermé<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » }}il est, en pratique, indéformable et est alors qualifié de « solide » au sens de la mécanique ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Préliminaire : }}l’exposé ci-dessous s'applique à un système discret <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de points matériels ou un système continu <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}<u>Exposé</u> : Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière" /> indéformable, en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe <math>\,\Delta</math>, fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen », <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}tous les points ont le même vecteur rotation instantanée <math>\,\vec{\Omega}(t) = \overline{\Omega}(t)\;\vec{u}_{\Delta}\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\big[\vec{u}_{\Delta}\,</math> étant le vecteur unitaire orientant l'axe de rotation <math>\,\Delta\,</math> et <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\big[}</math>}}autour de cet axe de rotation <math>\,\Delta\big]\,</math> d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe"> Expression ne nécessitant pas que l'axe <math>\,\Delta\,</math> soit fixe, la fixité de l'axe dans un référentiel intervenant quand ce dernier est galiléen et quand on utilise l'un des théorèmes fondamentaux de la dynamique de rotation des systèmes <math>\,\big\{</math>par exemple le théorème de l'énergie cinétique établi dans ce paragraphe mais le traavail élémentaire déveeloppé par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» ne nécessite pas que <math>\,\Delta\,</math> soit fixe<math>\big\}</math>.</ref>{{,}} <ref name="travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur un système en rotation"> Voir le paragraphe « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> {{Nobr|«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)</math>}} <math>= \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;</math>» et le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\delta W\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right] = \mathcal{P}\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right]\;dt\;</math>» puis, en faisant la somme membre à membre de façon à définir le travail élémentaire du sytème des forces extérieures s'exerçant sur le système en rotation «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)\;dt\;</math>».</ref> où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> est le moment <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» ou, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>du travail élémentaire }}avec «<math>\;\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta\;</math>» dans lequel <math>\,\theta(t)\,</math> est l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, la réécriture <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>,«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>de la variation de l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}}\;</math>» avec, l'énergie cinétique, à l'instant <math>\,t</math>, de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le cadre de la cinétique newtonienne «<math>\;K_{\text{syst. en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en rotation autour d'un axe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d’un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d’un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> avec «<math>\;J_\Delta\,</math> le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}relativement à <math>\,\Delta\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe"> Voir la notion de moment d'inertie d'un système discret ou continu dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Application_à_un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe#Application_au_cas_d'un_«_système_fermé_de_matière_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe_«_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|application d'un système fermé de matière en rotation autour d'un axe Δ fixe quelconque dans un référentiel d'étuide galiléen]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> d'où, en cinétique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> appliqué à un solide <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_solide_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d'un système }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> avec «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» et «<math>\;\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <math>\,\overline{\Omega}(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}<math>= \dot{\theta}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> encore égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>avec <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> et <math>\,\theta(t)\,</math> l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" />, sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail du moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail du }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[\theta(t)\,</math> étant l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation est égale au travail du «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[\theta}\,</math> étant l'abscisse angulaire }}à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> étant le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = 2\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)}\;</math>» <math>\,\big[</math>}}<math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] <math>\,\big(</math>photographié ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_(non_amorti)|mise en équation différentielle du mouvement du pendule de torsion (non amorti)]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Théorème_de_la_puissance_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_autour_d'un_axe_Δ_fixe_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe dans un référentiel d'étude galiléen]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. {{Al|5}}Ci-contre le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec deux fils de torsion identiques de même constante de torsion «<math>\;C\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec }}positions de masselottes identiques <math>\,\big(</math>sauf pour la couleur<math>\big)\,</math> de part et d'autre du point <math>\,C\,</math><ref name="distinction entre point d'attache des fils sur la tige et constante de torsion des fils"> On accepte la même notation pour le point d'attache des deux fils sur la tige et la constante de torsion de ces derniers tant qu'il n'y a pas d'ambiguïté <math>\,\big(</math>ce qui ne devrait jamais arriver compte-tenu du fait que ces deux grandeurs sont de nature différente<math>\big)</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec positions de masselottes identiques }}<math>\,\big(C\,</math> point d’attache des deux fils de torsion sur la tige<math>\big)</math> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre <math>\,\big(</math>en absence de masselottes<math>\big)\,</math> diffère du « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] » de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici l'extrémité supérieure <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil de torsion supérieur est mobile au lieu d'être fixe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur étant dans les deux fixe et <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici la torsion initiale est fournie par rotation propre de <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> d'un angle «<math>\;2\,\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>repéré sur le cercle gradué lié à <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}</math>, position de référence du cercle gradué<math>\big)\,</math> <math>\Rightarrow</math> en pratique, après quelques oscillations, la tige <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}acquiert la position d'équilibre repérée par l'angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>voir vérification ci-dessous<math>\big)\,</math> alors que <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] la torsion initiale est fournie par rotation de la tige d'un angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>également repéré <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>dans le pendule du chap.7 }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}\big)</math>, la position d'équilibre de la tige étant repérée par l'angle nul ; {{Al|5}}<u>vérification de la position d'équilibre de la tige dans le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}orientant les deux fils de torsion du bas vers le haut, quand la tige acquiert la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion supérieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche"> Une hélice est « droite » si le point tourne sur la gauche <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique direct ou encore dans le sens antihoraire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée et <br>{{Al|31}}elle est « gauche » si le point tourne sur la droite <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique indirect ou encore dans le sens horaire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée <br>{{Al|3}}<math>\,\big[</math>revoir aussi la distinction « hélices gauche ou droite » dans le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Mouvement_de_particules_chargées_dans_des_champs_électrique_et_magnétique_:_Cas_particulier_d'un_champ_magnétostatique_uniforme#Nature_hélicoïdale_uniforme_du_mouvement_de_la_particule|nature hélicoïdale uniforme du mouvement de la particule]] » du chap.<math>24</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> d'un angle «<math>\;\theta_1 - 2\;\theta_1 = -\theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil"> L'angle de torsion du fil qui intervient dans le vecteur moment du couple de torsion est l'angle que fait l'extrémité mobile relativement à l'extrémité maintenue fixe même si cette extrémité est fixée avec torsion initiale comme c'est le cas pour le fil supérieur <math>\,\big\{</math>on peut vérifier que cette définition correspond bien au schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » car {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{A_0B_0}\;</math>»}} est lié à l'extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil supérieur et «<math>\;\overrightarrow{AB}\;</math>» à l’extrémité mobile <math>\,C\,</math> et il en est de même pour l'éventuel fil de torsion inférieur<math>\big\}</math>.</ref> par rapport à son extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion supérieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} = -C \left( -\theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion inférieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche" /> d’un angle «<math>\;\theta_1 - 0 = \theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil" /> par rapport à l’extrémité <math>\;O_{\text{inf}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion inférieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = -C \left( \theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = -C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur la tige vérifiant «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} + \vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = \vec{0}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur }}la tige est effectivement en équilibre dans cette position <math>\;\ldots</math> {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <math>\,\big\{</math>ensemble solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC"> L'axe <math>\,\Delta_C\,</math> est le support des fils de torsion.</ref> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemb}}le solide étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles"> Repérée par rapport à la position de l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemble solide étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des masselottes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des masselottes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des masselottes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur"> L'angle de torsion du fil supérieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 2\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation"> Il s'agit de l'application de la puissance instantanée développée par un système de forces extérieures sur un solide en rotation autour d'un axe fixe <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d'un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> quand le système de forces extérieures est équivalent à un couple <math>\,\big[</math>c.-à-d. un système dont la résultante est nulle et dont le moment résultant scalaire relativement à l'axe de rotation définit le moment scalaire du couple<math>\big]</math>.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur"> L'angle de torsion du fil inférieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 0 = \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cin%C3%A9tique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d'un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;</math> est le moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et masselottes » en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_C\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre"> Ce qui suppose que <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> est non identiquement nulle <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\theta(t)\,</math> n'est pas une constante c.-à-d. que le solide n'est pas à sa position d'équilibre.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à droite «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta_1\;</math>», équation différentielle linéaire <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants sans terme du 1^er ordre hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_non_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition non énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] », la présence d'un 2^nd membre constant signifiant que le paramètre caractérisant l'oscillateur dans l'espace n'est pas nul à l'équilibre.</ref> de rotation ; {{Al|5}}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Conséquence_«_le_pendule_de_torsion_(non_amorti)_est_un_oscillateur_harmonique_non_amorti_de_rotation_»|conséquence : le pendule de torsion (non amorti) est un oscillateur harmonique non amorti de rotation]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » ; [[File:Pendule de torsion amorti - vue de dessus.png|thumb|300px|Vue de dessus d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti par substitution d'ailettes planes aux masselottes fixées sur la tige <math>\,\big(</math>les fils de torsion supérieur et inférieur <math>\,\perp\,</math> au plan de la figure ne peuvent y être représentés<math>\big)</math>]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> du }}<math>\big(</math>voir vue de dessus partielle représentée ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre étant écarté initialement comme celui de début de paragraphe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, le pendule ci-contre étant écarté initialement }}la tige acquiert donc une position d'équilibre repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}l'ensemble « tige et ailettes » étant un solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC" /> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant }}le solide est, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant le solide est, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}les actions extérieures sont <math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des ailettes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{ailettte}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des ailettes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des ailettes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{ailette}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu dans lequel se déplace le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] exercent sur les ailettes, modélisées par un <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> }}couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion"> voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Couple_de_frottement_fluide_linéaire_agissant_sur_le_pendule_par_l’intermédiaire_des_ailettes|couple de frottement fluide linéaire agissant sur le pendule par l'intermédiaire des ailettes]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple }}<math>\big[H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}et du fluide sur lequel frottent les ailettes<math>\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide la puissance instantanée }}selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\,</math> est le moment d'inertie du solide « tige + ailettes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et ailettes » en rotation autour de <math>\,\Delta_C\,</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t) - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t) - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1 - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étudié «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta_1\;</math>», équation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}différentielle linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique" /> de rotation ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Loi_horaire_de_position_angulaire_du_pendule_de_torsion_amorti|loi horaire de position angulaire du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ». == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule pesant non amorti à un degré de liberté - forces extérieures.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté <math>\,\big(</math>schématisé ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_non_amorti_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_du_moment_cinétique_scalaire|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant non amorti (à un degré de liberté) par application du théorème du moment cinétique scalaire]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />. {{Al|5}}Ci-contre schéma de face du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] idéale <ref name="liaison idéale"> C.-à-d. dans laquelle on peut négliger les frottements solides.</ref> du solide en rotation autour de l’axe horizontal <math>\,\Delta_O\;</math><ref name="liaison pivot du pendule"> Pour plus de détails voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Présentation_du_pendule_pesant_(non_amorti)_«_P.P.(N.A.)_»|présentation du pendule pesant (non amorti) P.P.(N.A.)]] (liaison pivot avec le point O) » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Non Amorti.</ref> à un degré de liberté ayant un mouvement de rotation imposé par la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] du solide avec l'axe <math>\,\Delta_O</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté }}son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,O</math>, d'axe <math>\,\Delta_O\,</math> orienté par le vecteur unitaire «<math>\;\vec{u}_{\Delta_O}\;</math>» et <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,\color{transparent}{O}</math>, }}de rayon «<math>\;\mathfrak{a}\;</math>» avec, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. }}<math>G\,</math> repéré par son abscisse angulaire «<math>\;\theta_G(t) = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\overrightarrow{OG}(t) \right\rbrace} = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\vec{u}_r(t) \right\rbrace}\;</math>» <ref name="noté theta"> Noté «<math>\;\theta(t)\;</math>» par la suite en absence d'ambiguïté.</ref> ; {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = \left[ \overrightarrow{OG}(t) \wedge m\;\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_O} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids"> Le moment vectoriel du poids par rapport à <math>\,O\,</math> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)\;</math>» a établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_liaison_sphérique_et_avec_les_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b),_établissement_de_la_nature_plane_du_mouvement_du_C.D.I._G_du_P.P.(N.A.)|dans le cas d'une liaison sphérique et avec les C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), établissement de la nature plane du mouvement du C.D.I. G du P.P.(N.A.)]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] », soit «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\varphi_G}(t)\;</math>» avec <math>\,\vec{u}_{\varphi_G}\,</math> s'identifiant à <math>\,\vec{u}_{\Delta_O}</math>. <br>{{Al|3}}On pouvait aussi déterminer directement le moment scalaire du poids, le schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_«_liaison_pivot_»_ou_d’une_«_liaison_sphérique_avec_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b)_»,_nouveau_repérage_adapté_à_la_nature_rotatoire_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_à_un_degré_de_liberté|dans le cas d'une liaison pivot ou d'une liaison sphérique avec C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), nouveau repérage adapté à la nature rotatoire du mouvement du P.P.(N.A.) à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » étant fait avec le paramètre de position angulaire <math>\,\theta > 0</math>, on observe que le poids tend à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,-\,</math> avec un bras de levier <math>\,\big(</math>distance orthogonale séparant l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du support de <math>\,m\;\vec{g}\big)\,</math> égal à <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où, dans le cas où <math>\,\theta\,</math> est <math>\,> 0</math>, {{Nobr|«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)</math>}} <math>= - \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>» <math>\,\Big\{</math>le résultat est indépendant du signe de <math>\,\theta\,</math> mais si le schéma était fait avec <math>\,\theta < 0</math>, on observerait que le poids tendrait à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,+\,</math> avec un bras de levier <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = + \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = m\;g\;\left[ -\mathfrak{a}\; \sin(\theta) \right] = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>», soit effectivement le même résultat <math>\,\big[</math>avec toutefois une possibilité d'erreur si on oubliait que <math>\,\theta < 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert = -\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\big]\Big\}</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_particulier_où_M_est_en_mouvement_circulaire_d'axe_Δ_et_de_vitesse_angulaire_instantanée_Ω(t)|cas particulier où M est en mouvement circulaire d'axe Δ et de vitesse angulaire instantanée Ω(t)]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> de la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I."> Conditions Initiales.</ref> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O"> On a établi dans la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#cite_note-réduction_à_deux_composantes_de_la_réaction_dans_ces_C.I.-18|¹⁸]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » que la réaction du point <math>\,O\,</math> dans l'hypothèse d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] sur le pendule lancé dans les C.I. <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\,</math> ou <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\,</math> s'écrirait <math>\,\vec{R}(t) =</math> <math>R_{\rho_G}(t)\;\vec{u}_{\rho_G}(t) + R_z(t)\;\vec{u}_z</math>, c.-à-d. que la réaction serait dans le plan vertical de lancement soit encore «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» ; <br>{{Al|3}}on établit de même <math>\,\big[</math>sans que cela ait été exposé dans le chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> que la réaction de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le pendule quels que soient les C.I. de lancement compatibles avec la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] s'écrit «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>».</ref> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul"> En effet la force étant <math>\,\perp\,</math> à l'axe par rapport auquel son moment scalaire est évalué est de bras de levier nul.</ref> auquel s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe"> Le couple étant de moment vectoriel <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta_O</math>.</ref> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée à la date <math>\,t\,</math> par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée développée à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|7}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}sans terme du 1^er ordre ; {{Al|5}}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique"> On appelle « [[w:Solution_de_forme_fermée|solution analytique]] » d'une équation différentielle, une expression mathématique <math>\,\big(</math>souvent dite « formule explicite »<math>\big)\,</math> pouvant s'obtenir par une combinaison d'opérations et de [[w:Fonction_de_référence|fonctions de référence]] <math>\,\big(</math>c.-à-d. fonctions affines, puissances, trigonométriques et exponentielles ainsi que leurs fonctions inverses sur un domaine de définition restreint pour lequel il y a bijection et même certaines solutions d'équations différentielles dites de référence<math>\big)</math>, les opérations étant l'addition, la soustraction, la multiplication, la division et l'extraction de racines.</ref> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’élongations_angulaires_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'élongations angulaires non petites]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il est nécessaire de procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="solution analytique dans le cas d'élongations petites"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Cas_particulier_des_«_petites_élongations_angulaires_»,_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_=_oscillateur_harmonique_(non_amorti)_approché_de_rotation,_période_des_«_petites_oscillations_»|cas particulier des petites élongations angulaires, pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) oscillateur harmonique (non amorti) approché de rotation, période des petites oscillations]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. [[File:Pendule pesant amorti à un degré de liberté - forces extérieures - bis.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures, <math>\,I\,</math> étant le point où la résultante des forces de frottement fluide peut être appliquée]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti <math>\,\big(</math>voir coupe partielle représentée ci-contre<math>\big)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire" /> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I." /> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O" /> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul" /> où s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe" /> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu où se déplace le [[w:Pendule_pesant|pendule]] exercent sur ce dernier, modélisées par <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}un couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_O}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti" />{{,}} <ref name="définition de H"> <math>\,H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]], de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frotte le solide.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Amorti.</ref> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0 - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right] - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_O}}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}avec terme linéaire du 1^er ordre ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique" /> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’amplitudes_initiales_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'amplitudes initiales non petites]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il faut procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique - bis"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » nécessitant néanmoins d'ajouter le terme d'amortissement <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A." />. == « En complément », caractère conservatif du couple de torsion, énergie potentielle de torsion et conservation de l’énergie mécanique du pendule de torsion (non amorti) dans le champ de torsion du fil == {{Al|5}}Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » ne sont pas explicités dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » }}il me semble souhaitable de le retenir <math>\,\big(</math>et bien sûr d’être capable de le retrouver<math>\big)</math>. === Caractère conservatif du couple de torsion === {{Al|5}}Le travail élémentaire d’un couple de torsion s’exerçant sur un solide, de vecteur moment «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t) = -C\;\alpha(t)\;\vec{u}_\Delta\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Expression_du_vecteur_moment_du_couple_de_torsion_exercé_par_le_fil_en_fonction_de_l'angle_de_torsion_«_α(t)_»,_notion_de_constante_de_torsion_«_C_»_du_fil_de_torsion|expression du vecteur moment du couple de torsion exercé par le fil de torsion α(t), notion de constante de torsion C du fil de torsion]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> lors d’une torsion élémentaire «<math>\;d \alpha\;</math>» <ref name="définition de Delta et alpha sur le fil de torsion"> <math>\,\Delta\,</math> étant la direction du fil de torsion orienté par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et «<math>\;\alpha\;</math>» l'angle de torsion algébrisé, défini au niveau de la liaison au solide dans le plan <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta\,</math> et orienté par <math>\,\vec{u}_\Delta</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion }}étant défini selon «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>», <math>\,\big[\overline{\Omega}(t)\,</math> étant la vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt}\;</math>», <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \alpha\;</math>»<math>\big]\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> soit finalement <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon }}«<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -C\;\alpha\; d \alpha\;</math>» correspondant à une différentielle de fonction <math>\Rightarrow</math> le <u>caractère conservatif du couple de torsion</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple"> Pour montrer qu’une force est conservative, on évalue son travail élémentaire en prenant un vecteur déplacement élémentaire quelconque <math>\,\overrightarrow{dM}\,</math> à partir du point d'application <math>\,M\,</math> de la force <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#2ème_définition_(équivalente)_d'une_force_«_conservative_»|2^ème définition (équivalente) d'une force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> ; <br>{{Al|3}}lorsqu'il s’agit d'un couple de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, il faut évaluer son travail élémentaire en envisageant une rotation élémentaire quelconque autour de n'importe quelle direction, le couple est alors conservatif si ce travail élémentaire est une différentielle de fonction mais <br>{{Al|3}}{{Transparent|lorsqu'il s'agit d'un couple }}dans le cas d’un couple de torsion de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, la seule direction autour de laquelle peut s’effectuer une rotation élémentaire est celle du fil c.-à-d. celle de <math>\,\vec{\Gamma}\,</math> et par suite la seule condition pour que le couple de torsion soit conservatif est que son travail élémentaire en considérant une rotation élémentaire autour de la direction du fil de torsion soit une différentielle de fonction ou encore que « le moment scalaire du couple de torsion par rapport au fil ne dépende que de l'angle de torsion <math>\,\alpha\;</math>» C.Q.E.R. <math>\,\big(</math>Ce Qui Est Réalisé<math>\big)</math>.</ref>. === Énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion === {{Al|5}}L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,U_{\text{tors}}\,</math> dont « dérive » le couple de torsion de vecteur moment <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}est définie par «<math>\,\delta W_{\text{tors}} = -dU_{\text{tors}}\,</math>» <ref name="énergie potentielle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#1ère_définition_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|1^ère définition de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> c.-à-d. «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(\alpha)\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\,</math> ou <math>\,-C\;\alpha\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <math>\Leftrightarrow</math> «<math>\;\dfrac{dU_{\text{tors}}}{d \alpha} = C\;\alpha\;</math>» soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}en intégrant «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2 + cste\;</math>» ; choisissant la référence de l’énergie potentielle de torsion <math>\;U_{\text{tors}}(\alpha)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle"> C.-à-d. l'endroit où l'énergie potentielle est choisie nulle.</ref> <br>{{Al|7}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> en intégrant «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\alpha) = 2\; C\;\alpha^2 + cste}\;</math>» ; choisissant la référence }}quand le fil n’est pas tordu c.-à-d. <math>\,U_{\text{tors}}(0) = 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = 0</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}l'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d’un fil et sa conservation en absence de frottement === [[File:Pendule de torsion sans masselottes - actions exercées.png|thumb|500px|Schéma d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] représenté sans masselottes additives et avec fil inférieur sans torsion avec ajout des actions exercées sur la tige à l'instant <math>\;t</math>]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec un seul fil de torsion, l'autre fil étant sans torsion <math>\,\big(</math>voir schéma ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec un seul fil de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}la seule action extérieure de moment scalaire non nul par rapport à la direction <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}commune du fil de torsion et du fil sans torsion <math>\;\big(</math>orientée par le vecteur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> étant le couple « conservatif » de torsion <ref name="conservativité du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Caractère_conservatif_du_couple_de_torsion|caractère conservatif du couple de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}moment vectoriel «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}} = -C\;\alpha\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion /> auquel on associe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie potentielle de torsion du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre valant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;U_{\text{tors}}(t) =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion énergie potentielle de torsion }}<math>\,\dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_torsion_du_solide_relié_au_fil_de_torsion|énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}son énergie cinétique à la date <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{pend. tors.}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique }}<math>J_{CO_{\text{sup}}}\,</math> est le moment d'inertie du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] relativement à la <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique <math>\color{transparent}{J_{CO_{\text{sup}}}}\,</math> est }}direction du fil de torsion et du fil sans torsion <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à l'instant <math>\,t\,</math> selon «<math>\;E_m(t) = K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Propriétés_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|propriétés de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] (2^ème propriété) » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>E_m(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha_0 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\alpha(0) = \alpha_0\;</math> et <math>\,\dot{\alpha}(0) = 0\;</math>». [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]]]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige <math>\,\big(</math>voir photographie ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec deux fils de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}il y a deux actions extérieures s'exerçant sur le solide « tige + masselottes » de moment scalaire non nul par rapport à <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}la direction commune <math>\,\Delta_C\,</math> des deux fils de torsion <math>\,\big(</math>orientée par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}élémentaire du solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}prouve le <u>caractère conservatif du couple de torsion du fil supérieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}supérieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = -d U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta = -d U_{\text{tors. sup.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. sup.}}}{d \theta} = C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\,</math> qui s'intègre en <math>\,U_{\text{tors. sup.}}</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,= \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> et, en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. sup.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du solide à l'équilibre » c.-à-d. <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre"> Revoir l'explication rappelée dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans le chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil supérieur du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta_1 - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_1 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion"> Symboliquement l'énergie potentielle d'un solide dans le champ de torsion d'un fil de torsion s'obtient, à une constante additive près, par la moitié du produit de la constante de torsion du fil et du carré de l'angle de torsion, à l'instant <math>\;t</math>, du fil au point d'attache du solide.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation élémentaire du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\; \theta(t)\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et prouve le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<u>caractère conservatif du couple de torsion du fil inférieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}inférieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = -d U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\;\theta\;d \theta = -d U_{\text{tors. inf.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. inf.}}}{d \theta} = C\; \theta\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{tors. inf.}} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} + cste_2\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. inf.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position du solide à l'équilibre » c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil inférieur du solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2} + cste_2 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_2 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}finalement l'énergie potentielle globale de torsion du solide « tige + masselottes » <math>\,\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale }}s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = U_{\text{tors. sup.}}(\theta) + U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» ou, en simplifiant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale s'écrit }}«<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2\;</math>» <ref> En effet <math>\,\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + 2\;C\; \theta_1^{\,2} + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + C\; \theta_1^{\,2} = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2</math>.</ref>{{,}} <ref> Cette énergie potentielle de torsion du solide « tige + masselottes » est la même que celle que l'on obtiendrait avec un seul fil de torsion de constante de torsion <math>\,2\,C</math>, l'autre fil étant sans torsion avec la référence en la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>.</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule ci-dessus étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «<math>\;\color{transparent}{K_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#%Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torion par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique de l'ensemble tige + masselottes) » plus haut dans ce chapitre.</ref> avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule }}<math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion des deux fils définie, à l'instant <math>\,t\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie mécanique }}«<math>E_m(t) = K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}\! \left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>E_{m,\,0} = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\alpha\;</math>» dans le 1^er exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] ou <br>{{Al|57}}celui «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta - \theta_1 \right]^2 \,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du 2^ème exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|même]] paragraphe <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}étant parabolique, nous retrouvons la <u>2^ème définition d’un oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math>de rotation<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_(équivalente)_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition (équivalente) énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. <br>{{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> de son mouvement dans le 2^ème exemple du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}«<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2 = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>», <br>{{Al|58}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}les C.I. <ref name="C.I." /> étant «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}est donc une <u>ellipse décrite dans le sens horaire</u> <ref name="portrait de phase d'un socillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Tracé_du_portrait_de_phase_de_la_charge_du_condensateur_d'un_«_R_L_C_série_»_soumis_à_un_échelon_de_tension_suivant_le_cœfficient_d'amortissement|propriétés des portraits de phase de la charge du condensateur d'un RLC série soumis à un échelon de tension suivant le cœfficient d'amortissement]] (cas d'un circuit oscillant non amorti en vert) » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. == Conservation de l’énergie mécanique du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) dans le champ de pesanteur uniforme == === Énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant === {{Al|5}}Dans le cas d'un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref><math>\big)</math>, le poids du solide étant la seule action extérieure travaillant et ce dernier étant conservatif <ref name="poids d'un objet conservatif"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Établissement_du_caractère_«_conservatif_»_du_poids_d'un_point_matériel_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|établissement du caractère conservatif du poids d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, }}on lui associe l'énergie potentielle de pesanteur «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta)\;</math>» <ref name="énergie potentielle de pesanteur"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#«_Énergie_potentielle_de_pesanteur_d'un_point_matériel_»_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|énergie potentielle de pesanteur d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> déterminée en intégrant «<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = -dU_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> avec <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)\,</math> travail élémentaire du poids lors d'une rotation élémentaire d'angle <math>\,d \theta = \dot{\theta}(t)\;dt\,</math> autour de <math>\,\Delta_O\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe «<math>\;\color{transparent}{\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)}\,</math>}}<math>= \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;dt = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)\;dt = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;d \theta\;</math>» <ref name="travail élémentaire du poids du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (actions extérieures exercées sur le solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> d'où <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}<math>\,-dU_{\text{pes}} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\;d \theta\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{pes}}}{d \theta}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\,</math> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right) + cste\;</math>» <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}soit, en choisissant comme référence de l'énergie potentielle <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> « la position <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}d'équilibre stable de ce dernier <ref name="équilibre stable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessous de ce dernier.</ref> <math>\,\theta_{\text{éq. stable}} = 0\;</math>» d'où <math>\,U_{\text{pes}}(0) = 0\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}<math>\Rightarrow</math> <math>\,0 = -m\;g\;\mathfrak{a} + cste\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = m\;g\;\mathfrak{a}\,</math> d'où l'expression de <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}l'énergie potentielle de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> se réécrit selon <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta \right) \right]\;</math>» <ref> Pour trouver l'expression de l'énergie potentielle de pesanteur on peut aussi utiliser <math>\,\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = m\;g\;dz_G = -dU_{\text{pes}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{pes}} = -m\;g\;z_G + cste\,</math> sachant que <math>\,z_G = \mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right)\,</math> avec pour position d'équilibre stable <math>\,z_{G,\,\text{éq. stable}} = \mathfrak{a}</math> <math>\;\ldots</math></ref> <math>\,\big(</math>référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : la position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement === {{Al|5}}Considérant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A." /><math>\big)</math>, l'énergie potentielle de pesanteur étant «<math>\;U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right] = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\,</math> avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> <math>\,\theta_{\text{équi. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P."/> » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> et <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie cinétique du solide constituant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique du solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> dans laquelle <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie cinétique}}«<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du solide par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie mécanique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> dans le champ de pesanteur «<math>\;E_m\!(t) = K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) + U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right]</math> <br>{{Al|23}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie mécanique du P.P.N.A. dans le champ de pesanteur «<math>\;\color{transparent}{E_m\!(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{P.P.N.A.}}(t) + U_{\text{pes}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P..P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>E_{m,\,0} = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\,\left[ 1 - \cos(\theta) \right]\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}n'étant pas parabolique <math>\,\big(</math>mais sinusoïdal<math>\big)</math>, nous pouvons affirmer que <u>le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> n'est pas un oscillateur harmonique</u> <math>\,\big(</math>quand il est en situation d'osciller<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <math>\blacktriangleright\;</math>« oscillatoire pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'énergie mécanique initiale du P.P.N.A. vaut «<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^2 + m\;g\; \mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta_0 \right) \right]\;</math>».</ref> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. est }}<math>\blacktriangleright\;</math>« révolutive pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="étude du mouvement d'un P.P.N.A. par diagramme d'énergies"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Étude_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_dans_le_cas_général_des_élongations_angulaires_non_petites_par_diagramme_énergétique|étude du mouvement du P.P.(N.A.) dans le cas général des élongations angulaires non petites par diagramme énergétique]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}de démontrer, avec utilisation simultanée de l'intégrale 1^ère énergétique <ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'intégrale 1^ère énergétique du P.P.N.A. s'écrit «<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^{\,2} + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet de démontrer, }}la nature « périodique <math>\,\big(</math>oscillatoire ou révolutive<math>\big)\;</math>» ainsi que <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}d’établir l’expression de la période sous forme intégrale <math>\ldots</math> {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Les [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d’un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ayant pour équation implicite l’intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\;</math><ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" /> de son mouvement lequel dépend de la valeur de l'énergie mécanique initiale <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />, <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. }}diffèrent suivant <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="différents portraits de phase d'un P.P.N.A."> Voir les paragraphes « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Tracé_des_portraits_de_phase_dans_le_cas_général_«_d'oscillations_ou_de_mouvement_révolutif_»_d'un_P.P.S._lancé_dans_les_C.I._«_1b_U_1a_»|tracé des portraits de phase dans le cas général d'oscillations ou de mouvement révolutif d'un P.P.S. lancé dans les C.I. 1b U 1a]] » du chap.<math>12</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\,\big(</math>l'allure des [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti étant la même que ceux d'un [[w:Pendule_simple|pendule simple]] non amorti<math>\big)\,</math> et « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Différents_portraits_de_phase_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté),_«_bifurcation_»_entre_mouvement_«_pendulaire_»_et_révolutif|différents portraits de phase du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté), bifurcation entre mouvement pendulaire et révolutif]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>pendulaire</u> <ref name="pendulaire"> Adjectif synonyme d'« oscillatoire ».</ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>fermé</u>, décrit dans le « <u>sens horaire</u> » <ref name="justification du sens horaire"> Ou « trigonométrique indirect », en effet « quand <math>\,\dot{\theta}\,</math> est <math>\,> 0</math>, <math>\,\theta \nearrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \nearrow\,</math> puis <math>\,\searrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule » ensuite «<math>\;\dot{\theta}\,</math> est <math>\,< 0</math>, correspondant à <math>\,\theta \searrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \searrow\,</math> puis <math>\,\nearrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule de nouveau » <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}avec le point «<math>\;\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)\;</math>» comme « <u>centre de </u>{{Nobr|<u>symétrie</u> » <ref name="justification du centre de symétrie"> Invariance de l’équation en changeant «<math>\;\theta\,</math> en <math>\,-\theta\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des vitesses angulaires <math>\,\big(</math>en fait antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>» et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Invariance de l’équation }}en changeant «<math>\;\dot{\theta}\,</math> en <math>\,-\dot{\theta}\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des abscisses angulaires <math>\,\big(</math>là encore c'est une antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|3}}l’association des deux symétries axiales <math>\,\big(</math>ou plutôt des deux antisymétries axiales<math>\big)\,</math> donnant un centre de symétrie pour l'intersection des deux axes <math>\,\big[</math>le point d'intersection des deux axes étant réellement une symétrie centrale <math>\,\big(</math>et non une antisymétrie centrale<math>\big)</math>.</ref>}} <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, avec le point «<math>\;\color{transparent}{\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)}\;</math>» }}correspondant à la position d’équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /> du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ; <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> }}<math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>révolutif</u>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>ouvert</u>, constitué de la <u>répétition du motif de l'intervalle</u><math>\;\left] -\pi\, , \, \pi \right]</math>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase }}répété <math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \nearrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} > 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 > 0\;</math>» ou <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase répété }}<math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \searrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} < 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 < 0\;</math>», <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)\;</math>» et celui avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,-\dot{\theta}_0 > 0 \right)\;</math>» <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, le portrait de phase avec C.I. «<math>\;\color{transparent}{\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)}\;</math>» }}étant <u>antisymétriques</u> l'un de l'autre, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>maxima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre stable</u> <ref name="équilibre stable du P.P." /> «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres stables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» ;<br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}\;</math>»<math>\big)\;</math> alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big)</math>.</ref> et <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>minima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre instable</u> <ref name="équilibre instable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessus de ce dernier.</ref> «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;</math> <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, les minima de<math>\;\color{transparent}{\vert \dot{\theta} \vert}\;</math>obtenus pour les positions d’équilibre instable «<math>\;\color{transparent}{\theta_{\text{éq. inst.}} =}</math> }}<math>\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres instables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = -\left( 2\;p' + 1 \right)\, \pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big[</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big]\;</math>.</ref>. == « Généralisation » à tout « solide » : « théorème de la variation de l’énergie mécanique » et la forme locale associée « le théorème de la puissance mécanique », application au cas d’un solide amorti == {{Al|5}}Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à la généralisation à tout système de points matériels ou continu de matière « indéformable » <ref name="solide au sens de la mécanique" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à }}la généralisation aux systèmes de points matériels ou continus de matière « déformables » sera faite dans le chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Lois_de_l'énergie_cinétique_pour_un_système_déformable_de_points_matériels#«_En_complément_»,_théorème_de_la_variation_de_l’énergie_mécanique_appliqué_à_un_système_de_matière_déformable_dans_le_champ_des_forces_extérieures_et_intérieures_conservatives_et_sa_forme_locale_«_le_théorème_de_la_puissance_mécanique_»|en complément : théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un système de matière déformable dans le champ des forces extérieures et intérieures conservatives et sa forme locale le théorème de la puissance mécanique]] » du chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. === Théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s’écrivant «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\bullet\;</math>celles qui sont conservatives <math>\,\big(</math>lesquelles « dérivent » d’une énergie potentielle<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{ransparent}{\bullet}\;</math>}}dont le travail pendant cette durée finie est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées }}<math>\bullet\;</math>celles qui sont non conservatives <ref name="non conservatives"> Ou, si elles sont conservatives, dont on ne considère pas le caractère « conservatif ».</ref> dont le travail pendant cette durée finie <br>{{Al|12}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>celles qui sont non conservatives dont }}est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}d'où «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou, avec «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, }}<math>\big(U_{\text{ext}}\,</math> étant l'énergie potentielle dont dérivent les forces conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, <math>\color{ransparent}{\big(}</math>}}définie à une constante additive près précisée par choix de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}<math>\Rightarrow</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» d’où la réécriture du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « solide <math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\left( \mathcal{S} \right)} + U_{\text{ext}} \right] = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» où on reconnaît dans le 1^er membre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}la variation de l’énergie mécanique «<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t) + U_{\text{ext}}\!(t)\;</math>» du solide «<math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le champ des forces conservatives sur la durée <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> dans le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où dans le champ des forces conservatives }}référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen d'où, finalement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}le lien entre la variation de l'énergie mécanique du « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;\Delta E_m = E_{m,\,\mathcal{F}} - E_{m,\,\mathcal{I}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» le lien }}le travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> sur cette même durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}«<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» applicable à un solide dans un référentiel d’étude galiléen, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}l'énoncé du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie dans un référentiel galiléen <ref> Ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. sous la forme où il existe des forces extérieures non conservatives dissipatives mais, comme le cas où toutes les forces extérieures travaillant sont conservatives est clairement explicité <math>\,\big(</math>sous la forme de la conservation de l’énergie mécanique du solide<math>\big)</math>, le cas où il existe des forces extérieures travaillant et non conservatives <math>\,\big(</math>comme des forces de frottement<math>\big)\,</math> s’appliquant à un solide peut difficilement être ignoré d'où l'ajout du théorème sous sa forme la plus générale <math>\;\ldots</math></ref>. : {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}<math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <math>\,K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation «<math>\;\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» }}égale au travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale au travail }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire dans un référentiel galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique }}se déduit aisément de sa forme sur une durée finie soit {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}conservatives <math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}<math>K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> <math>\color{transarent}{K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)}\,</math> l'énergie cinétique }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation élementaire«<math>\;d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t)\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» }}égale au travail élémentaire des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» égale au travail }}appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;d E_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide }}est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée finie ou élémentaire se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>». === Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de la puissance mécanique est la forme locale associée à la forme intégrée <ref name="forme intégrée de forme locale" /> “ théorème de la variation de l'énergie mécanique sur une durée finie ou élémentaire ” ; {{Al|5}}pour obtenir cette forme locale on écrit le théorème de la variation de l’énergie mécanique d’un solide dans le champ des forces extérieures conservatives entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math><ref> C.-à-d. la forme élémentaire du théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un solide.</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on écrit }}«<math>\;dE_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\,</math> dans un référentiel galiléen » puis, <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on divise les deux membres par <math>\,dt\,</math> soit «<math>\;\dfrac{dE_m}{dt} = \dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{dE_m}{dt}\;</math>» est la dérivée temporelle de l’énergie mécanique du solide dans le champ des forces extérieures conservatives définissant <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}la puissance mécanique du solide à l'instant <math>\,t\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives, notée «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» la puissance instantanée développée, à l'instant <math>\,t</math>, par les forces extérieures non conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}appliquées au solide notée «<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on obtient «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» d'où l'énoncé du théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen : {{Théorème|titre=Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide »|contenu = {{Al|5}}La puissance mécanique à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> <math>\big[</math>avec, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie mécanique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{ext}}(t)}\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces }}conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math>» l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique }}est égale à la puissance instantanée développée par les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique est égale à }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> au même instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide à un instant <math>\,t\,</math> quelconque se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}c.-à-d., après intégration, « la conservation de l’énergie mécanique du solide précédemment défini ». === Application au cas d’un solide amorti === {{Al|5}}Parmi les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées à un solide et travaillant, « les plus fréquentes sont dissipatives » <ref> Mais elles peuvent aussi être motrices par exemple, si nous souhaitons que les oscillations d’un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ou d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] perdurent alors qu’existent naturellement des frottements {{Nobr|<math>\,\big(</math>même}} minimes<math>\big)</math>, il est nécessaire de les entretenir à l’aide d’une force extérieure motrice compensant les forces de frottement, cette force motrice étant alors usuellement non conservative tout comme le sont les forces de frottement.</ref> comme les forces de frottement fluide <math>\,\big(</math>ou solide<math>\big)</math> ; {{Al|5}}si les seules forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> travaillant sont des forces de frottement s'exerçant sur un solide en mouvement dans un référentiel galiléen, <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces }}conservatives <ref name="théorème de la puissance mécanique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_la_puissance_mécanique_appliqué_à_un_«_solide_»|théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}s’écrivant «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{frott}}\!(t) < 0\;</math>» dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}l'énergie mécanique de ce solide «<math>\;E_m(t) \searrow\,</math> au sens strict » avec <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}</math> <math>\big(</math>il est qualifié d'« amorti »<math>\big)</math>. ==== Cas particulier du pendule de torsion amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] dont la photographie est dans un « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|paragraphe plus haut dans ce chapitre]] » mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}avec les masselottes remplacées par des ailettes comme présenté dans le schéma de vue de dessus de la « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|remarque du paragraphe précité]] », <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}L'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d'un fil et sa conservation en absence de frotemment]] (2^ème exemple) » plus haut dans ce chapitre dans lequel <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> doit être remplacée par <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})</math>.</ref> dans le référentiel <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen, {{Al|5}}aux deux couples extérieurs de torsion conservatifs s'exerçant sur le solide « tige + ailettes » et « dérivant » de l'énergie potentielle de ce dernier dans le champ de torsion des deux fils, à savoir «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) =</math> <math>\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <math>\;\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre du solide <math>\;\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big)\;</math><ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d'un fil et sa conservation en absence de frottement]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, il convient d'ajouter {{Al|5}}le « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Couple_de_frottement_fluide_linéaire_agissant_sur_le_pendule_par_l’intermédiaire_des_ailettes|couple de frottement fluide linéaire agissant sur le pendule par l'intermédiaire des ailettes]] » dont le moment scalaire relativement à l'axe <math>\;\Delta_C\;</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C} = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» établi au chap.<math>7</math> de la leçon « Mécanique 2 (PCSI) » <math>\;\big[H\;</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frottent les ailettes<math>\big]\;</math> montre qu'il est non conservatif <ref name="raison du caractère non conservatif"> En effet pour que ce couple soit conservatif il faudrait que son moment scalaire ne dépende que de <math>\;\theta\;</math> ou soit constant mais en aucun cas dépendant de <math>\;\dot{\theta}</math>.</ref>, la puissance du couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\;t</math>, selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant «<math>\;E_m(t) = K(t) + U_{\text{tors}}\!\left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2\!(t) + \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2}\!(t) - C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d'un fil et sa conservation en absence de frottement]] » plus haut dans ce chapitre en remplaçant « solide + masselottes » par « solide + ailettes ».</ref> à l'instant <math>\;t\;</math> dans le référentiel d'étude <math>\;\mathcal{R}</math>, <math>\;\big[J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;</math> étant le moment d'inertie du solide « tige + ailettes » relativement à l'axe commun <math>\;\Delta_C\;</math> des deux fils <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /><math>\big]\;</math> on en déduit aisément, dans <math>\;\mathcal{R}\;</math> et à l'instant <math>\;t</math>, la puissance mécanique du solide « tige + ailettes » dans le champ de torsion des fils en formant <math>\;\dot{E}_m(t) = \dfrac{d E_m}{dt}(t)\;</math> puis {{Al|5}}l’application du théorème de la puissance mécanique au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> nous conduit à «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» ou «<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» soit encore, {{Al|5}}en explicitant la dérivée temporelle de l’énergie mécanique puis en divisant par «<math>\;\dot{\theta}\!(t)\;</math>», l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon «Mécanique 2 (PCSI)» à savoir <center>«<math>\;J_{\Delta_C}\!\left( \text{tige} + \text{ailettes} \right)\;\ddot{\theta}(t) + H\;\dot{\theta}(t) + 2\;C\;\theta(t) = 2\;C\;\theta_1\;</math>».</center> ==== Cas particulier du pendule pesant à un degré de liberté amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] à un degré de liberté du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre avec des frottements fluides linéaires comme présenté dans la vue de profil de la remarque du paragraphe précité, {{Al|5}}à la force extérieure «<math>\;m\;\vec{g}\;</math>», conservative, s'exerçant sur le P.P.A. <ref name="P.P.A." /> et « dérivant » de l'énergie potentielle de pesanteur de ce dernier, à savoir «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) =</math> <math>m\;g\;\mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos(\theta) \right]\;</math>» <math>\;\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre stable du solide <math>\;\theta_{\text{éq. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P." /><math>\big)\;</math><ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, il convient d'ajouter {{Al|5}}les forces de frottement fluide linéaire dont le moment scalaire relativement à l'axe <math>\;\Delta_O\;</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t) = -H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» a été établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « Mécanique 2 (PCSI) » <math>\;\big[H\;</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du pendule, de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel il frotte<math>\big]\;</math> montre que ces forces de frottement est un système non conservatif <ref name="raison du caractère non conservatif" />, la puissance de ces forces de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\;t</math>, selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right] =</math> <math>\mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t)\;\dot{\theta}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}l'énergie mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> étant «<math>\;E_m(t) = K(t) + U_{\text{pes}}\!\left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> à l'instant <math>\;t\;</math> dans le référentiel d'étude <math>\;\mathcal{R}</math>, <math>\;\big[J_{\Delta_O}\;</math> étant le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> relativement à son axe <math>\;\Delta_O\;</math> de rotation <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /><math>\big]\;</math> on en déduit aisément, dans <math>\;\mathcal{R}\;</math> et à l'instant <math>\;t</math>, la puissance mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en formant <math>\;\dot{E}_m(t) = \dfrac{d E_m}{dt}(t)\;</math> puis {{Al|5}}l’application du théorème de la puissance mécanique au P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> nous conduit à «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right]\;</math>» ou «<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» soit encore, {{Al|5}}en explicitant la dérivée temporelle de l’énergie mécanique puis en divisant par «<math>\;\dot{\theta}\!(t)\;</math>», l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon «Mécanique 2 (PCSI)» à savoir <center>«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) + H\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>».</center> == Notes et références == <references /> {{Bas de page | idfaculté = physique | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie|Approche énergét. du mouv. d'un sol. en rotat. autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels|Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels]] }} dw0dsgzmcwoapka8gd0umgf5uhrvklg 987935 987934 2026-10-31T13:27:31Z Phl7605 31541 987935 wikitext text/x-wiki {{Chapitre | idfaculté = physique | numéro = 12 | niveau = 14 | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie/]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels/]] }} <center>Ce chapitre est traité dans le cadre de la dynamique newtonienne avec ajout de quelques éléments de dynamique relativiste.</center> == Théorème de l'énergie cinétique d’un système de matière, cas d’un solide en rotation autour d’un axe fixe == {{Al|5}}Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}est évidemment à connaître comme forme intégrée de la forme locale <ref name="forme intégrée de forme locale"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Lois_de_la_puissance_et_de_l'énergie_cinétiques#Différence_entre_«_forme_locale_de_la_dynamique_»_et_«_forme_intégrée_associée_à_cette_forme_locale_»|différence entre forme locale de la dynamique et forme intégrée associée à cette forme locale]] » du chap.<math>15</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> « théorème de la puissance <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}cinétique d'un système de matière » laquelle est inscrite explicitement dans le programme <math>\;\ldots</math> === Définition du travail du système des forces extérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque"> Par « système de matière quelconque » il faut entendre « système fermé discret de points matériels ou continu de matière » « déformable ou non ».</ref> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1"> A priori <math>\,N\,</math> pourrait être égal à <math>\,1\,</math> mais ce ne serait plus un système de points matériels mais un simple point matériel.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes"> C.-à-d. l’ensemble des paramètres de position et de vitesse de tous les points à l'instant de définition de l'état, tous ces paramètres permettant d’y décrire le système.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> entre }}l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Expression_du_travail_élémentaire_de_la_force_dont_le_point_d’application_subit_le_vecteur_déplacement_élémentaire_correspondant_à_la_durée_élémentaire_de_développement_de_sa_puissance|expression du travail élémentaire de la force dont le point d'application subit le vecteur déplacement élémentaire correspondant à la durée élémentaire de développement de sa puissance]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - bis"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="infiniment proches"> Instants infiniment proches.</ref>, son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité volumique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance volumique <math>\,\mathcal{P}_{\text{vol},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t)</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité surfacique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance surfacique <math>\,\mathcal{P}_{\text{surf},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) =</math>}} <math>\sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité linéique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance linéique <math>\,\mathcal{P}_{\text{lin},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right] dt\;</math>».</ref>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« chaque point <math>\,\color{transparent}{M_i}\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> entre «<math>\;\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\;</math>» }}son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\,</math> étant aussi tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces extérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces extérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" />. === Définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est également présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2"> Pour l'existence de forces intérieures appliquées à un système, <math>\,N\,</math> doit être évidemment <math>\,\geqslant\,</math> à <math>\,2</math>.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes" /> et l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" /> sachant que <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir }}le système des forces intérieures s'exerçant sur le système discret fermé de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le système des forces intérieures }}est défini comme « l'ensemble des forces <math>\,\vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t)\,</math> que chaque point <math>\,M_j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, exerce sur chaque point <math>\,M_i,\;\;i \neq j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math>» <ref name="système de forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Forces,_principe_des_actions_réciproques#Système_des_forces_intérieures_s’exerçant_sur_un_système_de_points_matériels_fermé|système des forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math> entre les instants <math>\;t\;</math> et <math>\;t + dt\;</math> selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i} \right]\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - ter"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> dans lequel, chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \mu(M')\;d \mathcal{V}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bivolumique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}}{d \mathcal{V}_{M'}\;d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \sigma(M')\;d S_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\;</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bisurfacique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}}{d S_{M'}\;d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \lambda(M')\;d \mathit{l}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\;\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bilinéique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}}{d \mathit{l}_{M'}\;d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace dt\;</math>».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces intérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces intérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière" />. {{Al|5}}<u>Remarque 1</u> : Le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures }}peut aussi être défini à partir de la puissance instantanée développée par les forces intérieures s’exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="définition de la puissance développée par les forces intérieures"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Définition_2|définition]] (de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures peut aussi être défini }}selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - tetra"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : }}le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}s'obtenant en ajoutant tous les travaux élémentaires de <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}peut se calculer à partir de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> peut se calculer }}par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>». {{Al|5}}<u>Remarque 2</u> : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math><ref name="définition du référentiel Rj"> Le référentiel «<math>\;\mathcal{R}_j\;</math>» est le référentiel lié à <math>\,M_j\,</math> en translation par rapport au référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#cite_note-puissance_des_forces_intérieures_s'exerçant_sur_système_continu_de_matière_-_ter-55|⁵⁵]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> dans le référentiel <math>\,\color{transparent}{\mathcal{R}}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}_{\text{int}}(t)}</math> }}<math>= \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Autres_expressions_équivalentes|autres expressions équivalentes]] de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj"> Le point <math>\,M_i\,</math> décrivant dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_j</math> <math>\,\big[</math>lié à <math>\,M_j\,</math> et en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\big]\,</math> une trajectoire particulière <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}\;</math> entre les deux instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t)\big]\,</math> étant tangent à <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}</math>.</ref> ou <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures «}}<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right]\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : }}de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière" />{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" />{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" />. {{Al|5}}<u>Remarque 3</u> : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nulle <ref name="puissance des forces intérieures en général non nulle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (1^ère conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu"> Système discret de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique"> Le système se comporte donc comme un solide au sens de la mécanique.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures nulle pour un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (3^ème conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = 0\;\;\forall\;t\,</math> pour <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = 0\;\;\forall\;\left[ t\,,\,t + dt \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> le devient }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = 0\;\;\forall\;\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> ». === Théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Partant du théorème de la puissance cinétique appliqué, à l'instant <math>\,t</math>, à un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Énoncé|énoncé]] du théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> dans lequel <math>\,\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math> est la puissance cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{ext}}(t)\,</math> la puissance développée par les forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\,</math> celle développée par les forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la même date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on multiplie par <math>\,dt\,</math> pour obtenir la forme élémentaire du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir la forme élémentaire }}entre «<math>\;t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\;</math>» où <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> est la variation élémentaire d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{ext}}\,</math> le travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{int}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur le même <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on intègre entre <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique }}entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec <math>\,\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\,</math> variation d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\,</math> }}sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> le travail des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> le travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> celui des forces intérieures }}sur le même <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>. {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> étant nul quel que soit le mouvement du système » <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Définition_du_travail_du_système_des_forces_intérieures_appliquées_à_un_«_système_de_matière_»_entre_un_état_initial_et_un_état_final|définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un système de matière entre un état initial et un état final]] (remarque 3) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul }}<math>\Rightarrow</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide sous sa forme élémentaire ou <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide }}sur une durée finie : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière en translation » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière"> Système fermé discret fermé de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> en translation » <ref name="système en translation"> Un « système de matière en translation » ne se déformant pas peut aussi être qualifié de « solide » au sens de la mécanique.</ref>, tous les points ont le même vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> égal à celui du C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> <math>\,G\,</math> du système, d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\!G}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <ref name="signification du travail élémentaire développé par les forces extérieures appliquées à un système en translation"> Dans cette 3^ème expression «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» est aussi « le travail élémentaire qui serait développé, sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\,t + dt \right],</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>, par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans <math>\,\mathcal{R}\;</math>» <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», ce dernier s'obtenant par application du théorème du mouvement du C.D.I. <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Principe_fondamental_de_la_dynamique_et_théorème_de_la_résultante_cinétique#Énoncé_du_théorème_(dynamique_newtonienne)|énoncé du théorème (dynamique newtonienne)]] du mouvement du C.D.I. d'un système » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> correspondant aussi à l'application de la r.f.d.n. <math>\,\big(</math>relation fondamentale de la dynamique newtonienne<math>\big)\,</math> au point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>» sur lequel s'exercerait la résultante dynamique<math>\big\}</math>.</ref> dans laquelle «<math>\;\vec{F}_{\text{ext}}(t)\;</math> est la résultante <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}«}}dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» <ref> Voir les paragraphes « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_en_translation_»|cas d'un système de matière en translation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » et « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissancce développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces intérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{int},\,\text{syst. en transl.}} = 0\;</math>» <ref name="système en translation" />{{,}} <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>de la variation élémentaire de l'énergie cinétique du système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en transl.}}\;</math>» avec «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="signification de l'énergie cinétique d'un système en translation"> Dans cette 2^ème expression «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» est aussi « l'énergie cinétique newtonienne du point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans {{Nobr|<math>\,\mathcal{R}\,</math>»}} <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», tous les points du système en translation ayant même vitesse que le C.D.I. <math>\,G\big\}</math>.</ref> l'énergie cinétique <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, dans le cadre de la cinétique newtonienne <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en translation"> Voir le paragraphe « énergie cinétique dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Cas_d'un_système_en_translation|cas d'un système en translation]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique }}appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" />{{, }} <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque dans un référentiel galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> nous obtenons : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un référentiel <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière en translation <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> étant le C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> et <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =}</math> }}la résultante dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\,</math> ou <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste"> Applicable sous cette forme dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste.</ref> avec <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="système fermé de matière" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système en translation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =</math> <math>K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail effectué par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail effectué par la résultante dynamique }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <br>{{Al|208}}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Ce théorème <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais il doit bien sûr être connu <ref> Sans doute ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. car on considère usuellement un système de matière en translation comme un point matériel <math>\,\big(</math>le C.D.I. <math>\,G\,</math> du système<math>\big)\,</math> sur lequel s'exerce la résultante dynamique du système et, selon ce point de vue, le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un système de matière en translation n'est rien d'autre que le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un point matériel, lequel est, quant à lui, au programme <math>\;\ldots</math></ref>. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}<u>Préliminaire</u> : Un « système <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » peut, a priori, se déformer <ref name="système en rotation autour d'un axe"> Par exemple, en se dilatant, c.-à-d. que chaque point du système, en plus de sa rotation autour d'un axe fixe, s'éloigne radialement de cet axe <math>\,\big(</math>la vitesse d'éloignement pouvant être différente d'un point à un autre<math>\big)\,</math> mais dans ce cas il ne s'agit pas d'une rotation « pure » <math>\;\ldots</math> <br>{{Al|3}}Pour maintenir une même vitesse angulaire à un instant <math>\,t\,</math> pour tous les points d'un « système déformable », il faut que le mouvement orthoradial de chacun des points soit corrélé au mouvement radial correspondant, avec absence de mouvement axial, c.-à-d. que, pour deux points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> tels que la droite <math>\,M_iM_j\,</math> recoupe l'axe <math>\,\Delta\,</math> perpendiculairement en <math>\,H_{i,\,j}</math>, <math>\,\big[</math>les points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> ayant donc même abscisse angulaire <math>\,\theta_{i,\,j}(t)\big]\,</math> on ait <math>\,\dot{\theta}_{i,\,j}(t) = \overline{\Omega}(t)</math> <math>\,\big[</math>donc indépendant de <math>\,\left( i\,,\, j \right)\big]\,</math> pour tout instant <math>\,t\,</math> et pour tout couple <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> dont les éléments ont même abscisse angulaire, ces conditions étant très contraignantes sont quasiment jamais réalisées naturellement <math>\;\ldots</math></ref>, toutefois, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Préliminaire : un « système <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>fermé<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » }}il est, en pratique, indéformable et est alors qualifié de « solide » au sens de la mécanique ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Préliminaire : }}l’exposé ci-dessous s'applique à un système discret <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de points matériels ou un système continu <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}<u>Exposé</u> : Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière" /> indéformable, en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe <math>\,\Delta</math>, fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen », <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}tous les points ont le même vecteur rotation instantanée <math>\,\vec{\Omega}(t) = \overline{\Omega}(t)\;\vec{u}_{\Delta}\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\big[\vec{u}_{\Delta}\,</math> étant le vecteur unitaire orientant l'axe de rotation <math>\,\Delta\,</math> et <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\big[}</math>}}autour de cet axe de rotation <math>\,\Delta\big]\,</math> d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe"> Expression ne nécessitant pas que l'axe <math>\,\Delta\,</math> soit fixe, la fixité de l'axe dans un référentiel intervenant quand ce dernier est galiléen et quand on utilise l'un des théorèmes fondamentaux de la dynamique de rotation des systèmes <math>\,\big\{</math>par exemple le théorème de l'énergie cinétique établi dans ce paragraphe mais le traavail élémentaire déveeloppé par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» ne nécessite pas que <math>\,\Delta\,</math> soit fixe<math>\big\}</math>.</ref>{{,}} <ref name="travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur un système en rotation"> Voir le paragraphe « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> {{Nobr|«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)</math>}} <math>= \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;</math>» et le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\delta W\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right] = \mathcal{P}\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right]\;dt\;</math>» puis, en faisant la somme membre à membre de façon à définir le travail élémentaire du sytème des forces extérieures s'exerçant sur le système en rotation «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)\;dt\;</math>».</ref> où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> est le moment <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» ou, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>du travail élémentaire }}avec «<math>\;\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta\;</math>» dans lequel <math>\,\theta(t)\,</math> est l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, la réécriture <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>,«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>de la variation de l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}}\;</math>» avec, l'énergie cinétique, à l'instant <math>\,t</math>, de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le cadre de la cinétique newtonienne «<math>\;K_{\text{syst. en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en rotation autour d'un axe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d’un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d’un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> avec «<math>\;J_\Delta\,</math> le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}relativement à <math>\,\Delta\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe"> Voir la notion de moment d'inertie d'un système discret ou continu dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Application_à_un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe#Application_au_cas_d'un_«_système_fermé_de_matière_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe_«_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|application d'un système fermé de matière en rotation autour d'un axe Δ fixe quelconque dans un référentiel d'étuide galiléen]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> d'où, en cinétique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> appliqué à un solide <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_solide_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d'un système }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> avec «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» et «<math>\;\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <math>\,\overline{\Omega}(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}<math>= \dot{\theta}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> encore égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>avec <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> et <math>\,\theta(t)\,</math> l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" />, sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail du moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail du }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[\theta(t)\,</math> étant l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation est égale au travail du «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[\theta}\,</math> étant l'abscisse angulaire }}à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> étant le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = 2\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)}\;</math>» <math>\,\big[</math>}}<math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] <math>\,\big(</math>photographié ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_(non_amorti)|mise en équation différentielle du mouvement du pendule de torsion (non amorti)]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Théorème_de_la_puissance_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_autour_d'un_axe_Δ_fixe_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe dans un référentiel d'étude galiléen]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. {{Al|5}}Ci-contre le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec deux fils de torsion identiques de même constante de torsion «<math>\;C\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec }}positions de masselottes identiques <math>\,\big(</math>sauf pour la couleur<math>\big)\,</math> de part et d'autre du point <math>\,C\,</math><ref name="distinction entre point d'attache des fils sur la tige et constante de torsion des fils"> On accepte la même notation pour le point d'attache des deux fils sur la tige et la constante de torsion de ces derniers tant qu'il n'y a pas d'ambiguïté <math>\,\big(</math>ce qui ne devrait jamais arriver compte-tenu du fait que ces deux grandeurs sont de nature différente<math>\big)</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec positions de masselottes identiques }}<math>\,\big(C\,</math> point d’attache des deux fils de torsion sur la tige<math>\big)</math> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre <math>\,\big(</math>en absence de masselottes<math>\big)\,</math> diffère du « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] » de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici l'extrémité supérieure <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil de torsion supérieur est mobile au lieu d'être fixe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur étant dans les deux fixe et <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici la torsion initiale est fournie par rotation propre de <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> d'un angle «<math>\;2\,\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>repéré sur le cercle gradué lié à <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}</math>, position de référence du cercle gradué<math>\big)\,</math> <math>\Rightarrow</math> en pratique, après quelques oscillations, la tige <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}acquiert la position d'équilibre repérée par l'angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>voir vérification ci-dessous<math>\big)\,</math> alors que <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] la torsion initiale est fournie par rotation de la tige d'un angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>également repéré <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>dans le pendule du chap.7 }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}\big)</math>, la position d'équilibre de la tige étant repérée par l'angle nul ; {{Al|5}}<u>vérification de la position d'équilibre de la tige dans le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}orientant les deux fils de torsion du bas vers le haut, quand la tige acquiert la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion supérieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche"> Une hélice est « droite » si le point tourne sur la gauche <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique direct ou encore dans le sens antihoraire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée et <br>{{Al|31}}elle est « gauche » si le point tourne sur la droite <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique indirect ou encore dans le sens horaire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée <br>{{Al|3}}<math>\,\big[</math>revoir aussi la distinction « hélices gauche ou droite » dans le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Mouvement_de_particules_chargées_dans_des_champs_électrique_et_magnétique_:_Cas_particulier_d'un_champ_magnétostatique_uniforme#Nature_hélicoïdale_uniforme_du_mouvement_de_la_particule|nature hélicoïdale uniforme du mouvement de la particule]] » du chap.<math>24</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> d'un angle «<math>\;\theta_1 - 2\;\theta_1 = -\theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil"> L'angle de torsion du fil qui intervient dans le vecteur moment du couple de torsion est l'angle que fait l'extrémité mobile relativement à l'extrémité maintenue fixe même si cette extrémité est fixée avec torsion initiale comme c'est le cas pour le fil supérieur <math>\,\big\{</math>on peut vérifier que cette définition correspond bien au schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » car {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{A_0B_0}\;</math>»}} est lié à l'extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil supérieur et «<math>\;\overrightarrow{AB}\;</math>» à l’extrémité mobile <math>\,C\,</math> et il en est de même pour l'éventuel fil de torsion inférieur<math>\big\}</math>.</ref> par rapport à son extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion supérieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} = -C \left( -\theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion inférieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche" /> d’un angle «<math>\;\theta_1 - 0 = \theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil" /> par rapport à l’extrémité <math>\;O_{\text{inf}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion inférieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = -C \left( \theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = -C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur la tige vérifiant «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} + \vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = \vec{0}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur }}la tige est effectivement en équilibre dans cette position <math>\;\ldots</math> {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <math>\,\big\{</math>ensemble solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC"> L'axe <math>\,\Delta_C\,</math> est le support des fils de torsion.</ref> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemb}}le solide étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles"> Repérée par rapport à la position de l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemble solide étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des masselottes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des masselottes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des masselottes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur"> L'angle de torsion du fil supérieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 2\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation"> Il s'agit de l'application de la puissance instantanée développée par un système de forces extérieures sur un solide en rotation autour d'un axe fixe <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d'un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> quand le système de forces extérieures est équivalent à un couple <math>\,\big[</math>c.-à-d. un système dont la résultante est nulle et dont le moment résultant scalaire relativement à l'axe de rotation définit le moment scalaire du couple<math>\big]</math>.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur"> L'angle de torsion du fil inférieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 0 = \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cin%C3%A9tique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d'un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;</math> est le moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et masselottes » en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_C\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre"> Ce qui suppose que <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> est non identiquement nulle <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\theta(t)\,</math> n'est pas une constante c.-à-d. que le solide n'est pas à sa position d'équilibre.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à droite «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta_1\;</math>», équation différentielle linéaire <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants sans terme du 1^er ordre hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_non_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition non énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] », la présence d'un 2^nd membre constant signifiant que le paramètre caractérisant l'oscillateur dans l'espace n'est pas nul à l'équilibre.</ref> de rotation ; {{Al|5}}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Conséquence_«_le_pendule_de_torsion_(non_amorti)_est_un_oscillateur_harmonique_non_amorti_de_rotation_»|conséquence : le pendule de torsion (non amorti) est un oscillateur harmonique non amorti de rotation]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » ; [[File:Pendule de torsion amorti - vue de dessus.png|thumb|300px|Vue de dessus d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti par substitution d'ailettes planes aux masselottes fixées sur la tige <math>\,\big(</math>les fils de torsion supérieur et inférieur <math>\,\perp\,</math> au plan de la figure ne peuvent y être représentés<math>\big)</math>]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> du }}<math>\big(</math>voir vue de dessus partielle représentée ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre étant écarté initialement comme celui de début de paragraphe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, le pendule ci-contre étant écarté initialement }}la tige acquiert donc une position d'équilibre repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}l'ensemble « tige et ailettes » étant un solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC" /> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant }}le solide est, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant le solide est, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}les actions extérieures sont <math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des ailettes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{ailettte}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des ailettes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des ailettes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{ailette}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu dans lequel se déplace le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] exercent sur les ailettes, modélisées par un <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> }}couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion"> voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Couple_de_frottement_fluide_linéaire_agissant_sur_le_pendule_par_l’intermédiaire_des_ailettes|couple de frottement fluide linéaire agissant sur le pendule par l'intermédiaire des ailettes]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple }}<math>\big[H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}et du fluide sur lequel frottent les ailettes<math>\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide la puissance instantanée }}selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\,</math> est le moment d'inertie du solide « tige + ailettes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et ailettes » en rotation autour de <math>\,\Delta_C\,</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t) - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t) - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1 - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étudié «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta_1\;</math>», équation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}différentielle linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique" /> de rotation ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Loi_horaire_de_position_angulaire_du_pendule_de_torsion_amorti|loi horaire de position angulaire du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ». == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule pesant non amorti à un degré de liberté - forces extérieures.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté <math>\,\big(</math>schématisé ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_non_amorti_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_du_moment_cinétique_scalaire|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant non amorti (à un degré de liberté) par application du théorème du moment cinétique scalaire]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />. {{Al|5}}Ci-contre schéma de face du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] idéale <ref name="liaison idéale"> C.-à-d. dans laquelle on peut négliger les frottements solides.</ref> du solide en rotation autour de l’axe horizontal <math>\,\Delta_O\;</math><ref name="liaison pivot du pendule"> Pour plus de détails voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Présentation_du_pendule_pesant_(non_amorti)_«_P.P.(N.A.)_»|présentation du pendule pesant (non amorti) P.P.(N.A.)]] (liaison pivot avec le point O) » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Non Amorti.</ref> à un degré de liberté ayant un mouvement de rotation imposé par la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] du solide avec l'axe <math>\,\Delta_O</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté }}son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,O</math>, d'axe <math>\,\Delta_O\,</math> orienté par le vecteur unitaire «<math>\;\vec{u}_{\Delta_O}\;</math>» et <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,\color{transparent}{O}</math>, }}de rayon «<math>\;\mathfrak{a}\;</math>» avec, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. }}<math>G\,</math> repéré par son abscisse angulaire «<math>\;\theta_G(t) = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\overrightarrow{OG}(t) \right\rbrace} = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\vec{u}_r(t) \right\rbrace}\;</math>» <ref name="noté theta"> Noté «<math>\;\theta(t)\;</math>» par la suite en absence d'ambiguïté.</ref> ; {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = \left[ \overrightarrow{OG}(t) \wedge m\;\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_O} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids"> Le moment vectoriel du poids par rapport à <math>\,O\,</math> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)\;</math>» a établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_liaison_sphérique_et_avec_les_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b),_établissement_de_la_nature_plane_du_mouvement_du_C.D.I._G_du_P.P.(N.A.)|dans le cas d'une liaison sphérique et avec les C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), établissement de la nature plane du mouvement du C.D.I. G du P.P.(N.A.)]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] », soit «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\varphi_G}(t)\;</math>» avec <math>\,\vec{u}_{\varphi_G}\,</math> s'identifiant à <math>\,\vec{u}_{\Delta_O}</math>. <br>{{Al|3}}On pouvait aussi déterminer directement le moment scalaire du poids, le schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_«_liaison_pivot_»_ou_d’une_«_liaison_sphérique_avec_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b)_»,_nouveau_repérage_adapté_à_la_nature_rotatoire_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_à_un_degré_de_liberté|dans le cas d'une liaison pivot ou d'une liaison sphérique avec C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), nouveau repérage adapté à la nature rotatoire du mouvement du P.P.(N.A.) à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » étant fait avec le paramètre de position angulaire <math>\,\theta > 0</math>, on observe que le poids tend à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,-\,</math> avec un bras de levier <math>\,\big(</math>distance orthogonale séparant l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du support de <math>\,m\;\vec{g}\big)\,</math> égal à <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où, dans le cas où <math>\,\theta\,</math> est <math>\,> 0</math>, {{Nobr|«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)</math>}} <math>= - \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>» <math>\,\Big\{</math>le résultat est indépendant du signe de <math>\,\theta\,</math> mais si le schéma était fait avec <math>\,\theta < 0</math>, on observerait que le poids tendrait à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,+\,</math> avec un bras de levier <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = + \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = m\;g\;\left[ -\mathfrak{a}\; \sin(\theta) \right] = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>», soit effectivement le même résultat <math>\,\big[</math>avec toutefois une possibilité d'erreur si on oubliait que <math>\,\theta < 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert = -\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\big]\Big\}</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_particulier_où_M_est_en_mouvement_circulaire_d'axe_Δ_et_de_vitesse_angulaire_instantanée_Ω(t)|cas particulier où M est en mouvement circulaire d'axe Δ et de vitesse angulaire instantanée Ω(t)]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> de la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I."> Conditions Initiales.</ref> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O"> On a établi dans la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#cite_note-réduction_à_deux_composantes_de_la_réaction_dans_ces_C.I.-18|¹⁸]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » que la réaction du point <math>\,O\,</math> dans l'hypothèse d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] sur le pendule lancé dans les C.I. <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\,</math> ou <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\,</math> s'écrirait <math>\,\vec{R}(t) =</math> <math>R_{\rho_G}(t)\;\vec{u}_{\rho_G}(t) + R_z(t)\;\vec{u}_z</math>, c.-à-d. que la réaction serait dans le plan vertical de lancement soit encore «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» ; <br>{{Al|3}}on établit de même <math>\,\big[</math>sans que cela ait été exposé dans le chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> que la réaction de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le pendule quels que soient les C.I. de lancement compatibles avec la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] s'écrit «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>».</ref> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul"> En effet la force étant <math>\,\perp\,</math> à l'axe par rapport auquel son moment scalaire est évalué est de bras de levier nul.</ref> auquel s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe"> Le couple étant de moment vectoriel <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta_O</math>.</ref> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée à la date <math>\,t\,</math> par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée développée à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|7}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}sans terme du 1^er ordre ; {{Al|5}}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique"> On appelle « [[w:Solution_de_forme_fermée|solution analytique]] » d'une équation différentielle, une expression mathématique <math>\,\big(</math>souvent dite « formule explicite »<math>\big)\,</math> pouvant s'obtenir par une combinaison d'opérations et de [[w:Fonction_de_référence|fonctions de référence]] <math>\,\big(</math>c.-à-d. fonctions affines, puissances, trigonométriques et exponentielles ainsi que leurs fonctions inverses sur un domaine de définition restreint pour lequel il y a bijection et même certaines solutions d'équations différentielles dites de référence<math>\big)</math>, les opérations étant l'addition, la soustraction, la multiplication, la division et l'extraction de racines.</ref> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’élongations_angulaires_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'élongations angulaires non petites]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il est nécessaire de procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="solution analytique dans le cas d'élongations petites"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Cas_particulier_des_«_petites_élongations_angulaires_»,_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_=_oscillateur_harmonique_(non_amorti)_approché_de_rotation,_période_des_«_petites_oscillations_»|cas particulier des petites élongations angulaires, pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) oscillateur harmonique (non amorti) approché de rotation, période des petites oscillations]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. [[File:Pendule pesant amorti à un degré de liberté - forces extérieures - bis.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures, <math>\,I\,</math> étant le point où la résultante des forces de frottement fluide peut être appliquée]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti <math>\,\big(</math>voir coupe partielle représentée ci-contre<math>\big)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire" /> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I." /> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O" /> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul" /> où s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe" /> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu où se déplace le [[w:Pendule_pesant|pendule]] exercent sur ce dernier, modélisées par <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}un couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_O}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti" />{{,}} <ref name="définition de H"> <math>\,H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]], de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frotte le solide.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Amorti.</ref> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0 - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right] - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_O}}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}avec terme linéaire du 1^er ordre ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique" /> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’amplitudes_initiales_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'amplitudes initiales non petites]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il faut procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique - bis"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » nécessitant néanmoins d'ajouter le terme d'amortissement <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A." />. == « En complément », caractère conservatif du couple de torsion, énergie potentielle de torsion et conservation de l’énergie mécanique du pendule de torsion (non amorti) dans le champ de torsion du fil == {{Al|5}}Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » ne sont pas explicités dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » }}il me semble souhaitable de le retenir <math>\,\big(</math>et bien sûr d’être capable de le retrouver<math>\big)</math>. === Caractère conservatif du couple de torsion === {{Al|5}}Le travail élémentaire d’un couple de torsion s’exerçant sur un solide, de vecteur moment «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t) = -C\;\alpha(t)\;\vec{u}_\Delta\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Expression_du_vecteur_moment_du_couple_de_torsion_exercé_par_le_fil_en_fonction_de_l'angle_de_torsion_«_α(t)_»,_notion_de_constante_de_torsion_«_C_»_du_fil_de_torsion|expression du vecteur moment du couple de torsion exercé par le fil de torsion α(t), notion de constante de torsion C du fil de torsion]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> lors d’une torsion élémentaire «<math>\;d \alpha\;</math>» <ref name="définition de Delta et alpha sur le fil de torsion"> <math>\,\Delta\,</math> étant la direction du fil de torsion orienté par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et «<math>\;\alpha\;</math>» l'angle de torsion algébrisé, défini au niveau de la liaison au solide dans le plan <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta\,</math> et orienté par <math>\,\vec{u}_\Delta</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion }}étant défini selon «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>», <math>\,\big[\overline{\Omega}(t)\,</math> étant la vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt}\;</math>», <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \alpha\;</math>»<math>\big]\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> soit finalement <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon }}«<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -C\;\alpha\; d \alpha\;</math>» correspondant à une différentielle de fonction <math>\Rightarrow</math> le <u>caractère conservatif du couple de torsion</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple"> Pour montrer qu’une force est conservative, on évalue son travail élémentaire en prenant un vecteur déplacement élémentaire quelconque <math>\,\overrightarrow{dM}\,</math> à partir du point d'application <math>\,M\,</math> de la force <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#2ème_définition_(équivalente)_d'une_force_«_conservative_»|2^ème définition (équivalente) d'une force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> ; <br>{{Al|3}}lorsqu'il s’agit d'un couple de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, il faut évaluer son travail élémentaire en envisageant une rotation élémentaire quelconque autour de n'importe quelle direction, le couple est alors conservatif si ce travail élémentaire est une différentielle de fonction mais <br>{{Al|3}}{{Transparent|lorsqu'il s'agit d'un couple }}dans le cas d’un couple de torsion de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, la seule direction autour de laquelle peut s’effectuer une rotation élémentaire est celle du fil c.-à-d. celle de <math>\,\vec{\Gamma}\,</math> et par suite la seule condition pour que le couple de torsion soit conservatif est que son travail élémentaire en considérant une rotation élémentaire autour de la direction du fil de torsion soit une différentielle de fonction ou encore que « le moment scalaire du couple de torsion par rapport au fil ne dépende que de l'angle de torsion <math>\,\alpha\;</math>» C.Q.E.R. <math>\,\big(</math>Ce Qui Est Réalisé<math>\big)</math>.</ref>. === Énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion === {{Al|5}}L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,U_{\text{tors}}\,</math> dont « dérive » le couple de torsion de vecteur moment <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}est définie par «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#1ère_définition_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|1^ère définition de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> c.-à-d. «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(\alpha)\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\,</math> ou <math>\,-C\;\alpha\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <math>\Leftrightarrow</math> «<math>\;\dfrac{dU_{\text{tors}}}{d \alpha} = C\;\alpha\;</math>» soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}en intégrant «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2 + cste\;</math>» ; choisissant la référence de l’énergie potentielle de torsion <math>\;U_{\text{tors}}(\alpha)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle"> C.-à-d. l'endroit où l'énergie potentielle est choisie nulle.</ref> <br>{{Al|7}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> en intégrant «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\alpha) = 2\; C\;\alpha^2 + cste}\;</math>» ; choisissant la référence }}quand le fil n’est pas tordu c.-à-d. <math>\,U_{\text{tors}}(0) = 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = 0</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}l'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d’un fil et sa conservation en absence de frottement === [[File:Pendule de torsion sans masselottes - actions exercées.png|thumb|500px|Schéma d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] représenté sans masselottes additives et avec fil inférieur sans torsion avec ajout des actions exercées sur la tige à l'instant <math>\;t</math>]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec un seul fil de torsion, l'autre fil étant sans torsion <math>\,\big(</math>voir schéma ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec un seul fil de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}la seule action extérieure de moment scalaire non nul par rapport à la direction <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}commune du fil de torsion et du fil sans torsion <math>\;\big(</math>orientée par le vecteur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> étant le couple « conservatif » de torsion <ref name="conservativité du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Caractère_conservatif_du_couple_de_torsion|caractère conservatif du couple de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}moment vectoriel «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}} = -C\;\alpha\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion /> auquel on associe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie potentielle de torsion du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre valant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;U_{\text{tors}}(t) =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion énergie potentielle de torsion }}<math>\,\dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_torsion_du_solide_relié_au_fil_de_torsion|énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}son énergie cinétique à la date <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{pend. tors.}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique }}<math>J_{CO_{\text{sup}}}\,</math> est le moment d'inertie du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] relativement à la <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique <math>\color{transparent}{J_{CO_{\text{sup}}}}\,</math> est }}direction du fil de torsion et du fil sans torsion <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à l'instant <math>\,t\,</math> selon «<math>\;E_m(t) = K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Propriétés_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|propriétés de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] (2^ème propriété) » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha_0 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\alpha(0) = \alpha_0\;</math> et <math>\,\dot{\alpha}(0) = 0\;</math>». [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]]]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige <math>\,\big(</math>voir photographie ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec deux fils de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}il y a deux actions extérieures s'exerçant sur le solide « tige + masselottes » de moment scalaire non nul par rapport à <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}la direction commune <math>\,\Delta_C\,</math> des deux fils de torsion <math>\,\big(</math>orientée par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}élémentaire du solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}prouve le <u>caractère conservatif du couple de torsion du fil supérieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}supérieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = -d U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta = -d U_{\text{tors. sup.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. sup.}}}{d \theta} = C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\,</math> qui s'intègre en <math>\,U_{\text{tors. sup.}}</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,= \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> et, en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. sup.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du solide à l'équilibre » c.-à-d. <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre"> Revoir l'explication rappelée dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans le chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil supérieur du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta_1 - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_1 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion"> Symboliquement l'énergie potentielle d'un solide dans le champ de torsion d'un fil de torsion s'obtient, à une constante additive près, par la moitié du produit de la constante de torsion du fil et du carré de l'angle de torsion, à l'instant <math>\;t</math>, du fil au point d'attache du solide.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation élémentaire du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\; \theta(t)\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et prouve le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<u>caractère conservatif du couple de torsion du fil inférieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}inférieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = -d U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\;\theta\;d \theta = -d U_{\text{tors. inf.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. inf.}}}{d \theta} = C\; \theta\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{tors. inf.}} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} + cste_2\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. inf.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position du solide à l'équilibre » c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil inférieur du solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2} + cste_2 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_2 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}finalement l'énergie potentielle globale de torsion du solide « tige + masselottes » <math>\,\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale }}s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = U_{\text{tors. sup.}}(\theta) + U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» ou, en simplifiant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale s'écrit }}«<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2\;</math>» <ref> En effet <math>\,\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + 2\;C\; \theta_1^{\,2} + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + C\; \theta_1^{\,2} = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2</math>.</ref>{{,}} <ref> Cette énergie potentielle de torsion du solide « tige + masselottes » est la même que celle que l'on obtiendrait avec un seul fil de torsion de constante de torsion <math>\,2\,C</math>, l'autre fil étant sans torsion avec la référence en la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>.</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule ci-dessus étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «<math>\;\color{transparent}{K_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#%Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torion par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique de l'ensemble tige + masselottes) » plus haut dans ce chapitre.</ref> avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule }}<math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion des deux fils définie, à l'instant <math>\,t\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie mécanique }}«<math>\;E_m(t) = K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}\! \left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\alpha\;</math>» dans le 1^er exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] ou <br>{{Al|57}}celui «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta - \theta_1 \right]^2 \,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du 2^ème exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|même]] paragraphe <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}étant parabolique, nous retrouvons la <u>2^ème définition d’un oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math>de rotation<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_(équivalente)_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition (équivalente) énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. <br>{{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> de son mouvement dans le 2^ème exemple du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}«<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2 = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>», <br>{{Al|58}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}les C.I. <ref name="C.I." /> étant «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}est donc une <u>ellipse décrite dans le sens horaire</u> <ref name="portrait de phase d'un socillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Tracé_du_portrait_de_phase_de_la_charge_du_condensateur_d'un_«_R_L_C_série_»_soumis_à_un_échelon_de_tension_suivant_le_cœfficient_d'amortissement|propriétés des portraits de phase de la charge du condensateur d'un RLC série soumis à un échelon de tension suivant le cœfficient d'amortissement]] (cas d'un circuit oscillant non amorti en vert) » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. == Conservation de l’énergie mécanique du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) dans le champ de pesanteur uniforme == === Énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant === {{Al|5}}Dans le cas d'un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref><math>\big)</math>, le poids du solide étant la seule action extérieure travaillant et ce dernier étant conservatif <ref name="poids d'un objet conservatif"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Établissement_du_caractère_«_conservatif_»_du_poids_d'un_point_matériel_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|établissement du caractère conservatif du poids d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, }}on lui associe l'énergie potentielle de pesanteur «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta)\;</math>» <ref name="énergie potentielle de pesanteur"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#«_Énergie_potentielle_de_pesanteur_d'un_point_matériel_»_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|énergie potentielle de pesanteur d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> déterminée en intégrant «<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = -dU_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> avec <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)\,</math> travail élémentaire du poids lors d'une rotation élémentaire d'angle <math>\,d \theta = \dot{\theta}(t)\;dt\,</math> autour de <math>\,\Delta_O\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe «<math>\;\color{transparent}{\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)}\,</math>}}<math>= \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;dt = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)\;dt = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;d \theta\;</math>» <ref name="travail élémentaire du poids du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (actions extérieures exercées sur le solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> d'où <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}<math>\,-dU_{\text{pes}} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\;d \theta\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{pes}}}{d \theta}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\,</math> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right) + cste\;</math>» <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}soit, en choisissant comme référence de l'énergie potentielle <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> « la position <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}d'équilibre stable de ce dernier <ref name="équilibre stable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessous de ce dernier.</ref> <math>\,\theta_{\text{éq. stable}} = 0\;</math>» d'où <math>\,U_{\text{pes}}(0) = 0\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}<math>\Rightarrow</math> <math>\,0 = -m\;g\;\mathfrak{a} + cste\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = m\;g\;\mathfrak{a}\,</math> d'où l'expression de <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}l'énergie potentielle de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> se réécrit selon <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta \right) \right]\;</math>» <ref> Pour trouver l'expression de l'énergie potentielle de pesanteur on peut aussi utiliser <math>\,\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = m\;g\;dz_G = -dU_{\text{pes}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{pes}} = -m\;g\;z_G + cste\,</math> sachant que <math>\,z_G = \mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right)\,</math> avec pour position d'équilibre stable <math>\,z_{G,\,\text{éq. stable}} = \mathfrak{a}</math> <math>\;\ldots</math></ref> <math>\,\big(</math>référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : la position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement === {{Al|5}}Considérant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A." /><math>\big)</math>, l'énergie potentielle de pesanteur étant «<math>\;U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right] = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\,</math> avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> <math>\,\theta_{\text{équi. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P."/> » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> et <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie cinétique du solide constituant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique du solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> dans laquelle <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie cinétique}}«<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du solide par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie mécanique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> dans le champ de pesanteur «<math>\;E_m\!(t) = K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) + U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right]</math> <br>{{Al|23}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie mécanique du P.P.N.A. dans le champ de pesanteur «<math>\;\color{transparent}{E_m\!(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{P.P.N.A.}}(t) + U_{\text{pes}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P..P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\,\left[ 1 - \cos(\theta) \right]\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}n'étant pas parabolique <math>\,\big(</math>mais sinusoïdal<math>\big)</math>, nous pouvons affirmer que <u>le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> n'est pas un oscillateur harmonique</u> <math>\,\big(</math>quand il est en situation d'osciller<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <math>\blacktriangleright\;</math>« oscillatoire pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'énergie mécanique initiale du P.P.N.A. vaut «<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^2 + m\;g\; \mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta_0 \right) \right]\;</math>».</ref> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. est }}<math>\blacktriangleright\;</math>« révolutive pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="étude du mouvement d'un P.P.N.A. par diagramme d'énergies"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Étude_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_dans_le_cas_général_des_élongations_angulaires_non_petites_par_diagramme_énergétique|étude du mouvement du P.P.(N.A.) dans le cas général des élongations angulaires non petites par diagramme énergétique]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}de démontrer, avec utilisation simultanée de l'intégrale 1^ère énergétique <ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'intégrale 1^ère énergétique du P.P.N.A. s'écrit «<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^{\,2} + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet de démontrer, }}la nature « périodique <math>\,\big(</math>oscillatoire ou révolutive<math>\big)\;</math>» ainsi que <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}d’établir l’expression de la période sous forme intégrale <math>\ldots</math> {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Les [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d’un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ayant pour équation implicite l’intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\;</math><ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" /> de son mouvement lequel dépend de la valeur de l'énergie mécanique initiale <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />, <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. }}diffèrent suivant <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="différents portraits de phase d'un P.P.N.A."> Voir les paragraphes « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Tracé_des_portraits_de_phase_dans_le_cas_général_«_d'oscillations_ou_de_mouvement_révolutif_»_d'un_P.P.S._lancé_dans_les_C.I._«_1b_U_1a_»|tracé des portraits de phase dans le cas général d'oscillations ou de mouvement révolutif d'un P.P.S. lancé dans les C.I. 1b U 1a]] » du chap.<math>12</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\,\big(</math>l'allure des [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti étant la même que ceux d'un [[w:Pendule_simple|pendule simple]] non amorti<math>\big)\,</math> et « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Différents_portraits_de_phase_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté),_«_bifurcation_»_entre_mouvement_«_pendulaire_»_et_révolutif|différents portraits de phase du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté), bifurcation entre mouvement pendulaire et révolutif]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>pendulaire</u> <ref name="pendulaire"> Adjectif synonyme d'« oscillatoire ».</ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>fermé</u>, décrit dans le « <u>sens horaire</u> » <ref name="justification du sens horaire"> Ou « trigonométrique indirect », en effet « quand <math>\,\dot{\theta}\,</math> est <math>\,> 0</math>, <math>\,\theta \nearrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \nearrow\,</math> puis <math>\,\searrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule » ensuite «<math>\;\dot{\theta}\,</math> est <math>\,< 0</math>, correspondant à <math>\,\theta \searrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \searrow\,</math> puis <math>\,\nearrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule de nouveau » <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}avec le point «<math>\;\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)\;</math>» comme « <u>centre de </u>{{Nobr|<u>symétrie</u> » <ref name="justification du centre de symétrie"> Invariance de l’équation en changeant «<math>\;\theta\,</math> en <math>\,-\theta\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des vitesses angulaires <math>\,\big(</math>en fait antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>» et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Invariance de l’équation }}en changeant «<math>\;\dot{\theta}\,</math> en <math>\,-\dot{\theta}\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des abscisses angulaires <math>\,\big(</math>là encore c'est une antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|3}}l’association des deux symétries axiales <math>\,\big(</math>ou plutôt des deux antisymétries axiales<math>\big)\,</math> donnant un centre de symétrie pour l'intersection des deux axes <math>\,\big[</math>le point d'intersection des deux axes étant réellement une symétrie centrale <math>\,\big(</math>et non une antisymétrie centrale<math>\big)</math>.</ref>}} <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, avec le point «<math>\;\color{transparent}{\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)}\;</math>» }}correspondant à la position d’équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /> du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ; <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> }}<math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>révolutif</u>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>ouvert</u>, constitué de la <u>répétition du motif de l'intervalle</u><math>\;\left] -\pi\, , \, \pi \right]</math>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase }}répété <math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \nearrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} > 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 > 0\;</math>» ou <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase répété }}<math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \searrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} < 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 < 0\;</math>», <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)\;</math>» et celui avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,-\dot{\theta}_0 > 0 \right)\;</math>» <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, le portrait de phase avec C.I. «<math>\;\color{transparent}{\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)}\;</math>» }}étant <u>antisymétriques</u> l'un de l'autre, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>maxima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre stable</u> <ref name="équilibre stable du P.P." /> «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres stables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» ;<br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}\;</math>»<math>\big)\;</math> alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big)</math>.</ref> et <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>minima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre instable</u> <ref name="équilibre instable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessus de ce dernier.</ref> «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;</math> <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, les minima de<math>\;\color{transparent}{\vert \dot{\theta} \vert}\;</math>obtenus pour les positions d’équilibre instable «<math>\;\color{transparent}{\theta_{\text{éq. inst.}} =}</math> }}<math>\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres instables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = -\left( 2\;p' + 1 \right)\, \pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big[</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big]\;</math>.</ref>. == « Généralisation » à tout « solide » : « théorème de la variation de l’énergie mécanique » et la forme locale associée « le théorème de la puissance mécanique », application au cas d’un solide amorti == {{Al|5}}Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à la généralisation à tout système de points matériels ou continu de matière « indéformable » <ref name="solide au sens de la mécanique" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à }}la généralisation aux systèmes de points matériels ou continus de matière « déformables » sera faite dans le chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Lois_de_l'énergie_cinétique_pour_un_système_déformable_de_points_matériels#«_En_complément_»,_théorème_de_la_variation_de_l’énergie_mécanique_appliqué_à_un_système_de_matière_déformable_dans_le_champ_des_forces_extérieures_et_intérieures_conservatives_et_sa_forme_locale_«_le_théorème_de_la_puissance_mécanique_»|en complément : théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un système de matière déformable dans le champ des forces extérieures et intérieures conservatives et sa forme locale le théorème de la puissance mécanique]] » du chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. === Théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s’écrivant «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\bullet\;</math>celles qui sont conservatives <math>\,\big(</math>lesquelles « dérivent » d’une énergie potentielle<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{ransparent}{\bullet}\;</math>}}dont le travail pendant cette durée finie est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées }}<math>\bullet\;</math>celles qui sont non conservatives <ref name="non conservatives"> Ou, si elles sont conservatives, dont on ne considère pas le caractère « conservatif ».</ref> dont le travail pendant cette durée finie <br>{{Al|12}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>celles qui sont non conservatives dont }}est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}d'où «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou, avec «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, }}<math>\big(U_{\text{ext}}\,</math> étant l'énergie potentielle dont dérivent les forces conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, <math>\color{ransparent}{\big(}</math>}}définie à une constante additive près précisée par choix de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}<math>\Rightarrow</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» d’où la réécriture du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « solide <math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\left( \mathcal{S} \right)} + U_{\text{ext}} \right] = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» où on reconnaît dans le 1^er membre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}la variation de l’énergie mécanique «<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t) + U_{\text{ext}}\!(t)\;</math>» du solide «<math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le champ des forces conservatives sur la durée <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> dans le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où dans le champ des forces conservatives }}référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen d'où, finalement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}le lien entre la variation de l'énergie mécanique du « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;\Delta E_m = E_{m,\,\mathcal{F}} - E_{m,\,\mathcal{I}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» le lien }}le travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> sur cette même durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}«<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» applicable à un solide dans un référentiel d’étude galiléen, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}l'énoncé du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie dans un référentiel galiléen <ref> Ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. sous la forme où il existe des forces extérieures non conservatives dissipatives mais, comme le cas où toutes les forces extérieures travaillant sont conservatives est clairement explicité <math>\,\big(</math>sous la forme de la conservation de l’énergie mécanique du solide<math>\big)</math>, le cas où il existe des forces extérieures travaillant et non conservatives <math>\,\big(</math>comme des forces de frottement<math>\big)\,</math> s’appliquant à un solide peut difficilement être ignoré d'où l'ajout du théorème sous sa forme la plus générale <math>\;\ldots</math></ref>. : {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}<math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <math>\,K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation «<math>\;\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» }}égale au travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale au travail }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire dans un référentiel galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique }}se déduit aisément de sa forme sur une durée finie soit {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}conservatives <math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}<math>K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> <math>\color{transarent}{K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)}\,</math> l'énergie cinétique }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation élementaire«<math>\;d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t)\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» }}égale au travail élémentaire des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» égale au travail }}appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;d E_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide }}est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée finie ou élémentaire se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>». === Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de la puissance mécanique est la forme locale associée à la forme intégrée <ref name="forme intégrée de forme locale" /> “ théorème de la variation de l'énergie mécanique sur une durée finie ou élémentaire ” ; {{Al|5}}pour obtenir cette forme locale on écrit le théorème de la variation de l’énergie mécanique d’un solide dans le champ des forces extérieures conservatives entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math><ref> C.-à-d. la forme élémentaire du théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un solide.</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on écrit }}«<math>\;dE_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\,</math> dans un référentiel galiléen » puis, <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on divise les deux membres par <math>\,dt\,</math> soit «<math>\;\dfrac{dE_m}{dt} = \dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{dE_m}{dt}\;</math>» est la dérivée temporelle de l’énergie mécanique du solide dans le champ des forces extérieures conservatives définissant <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}la puissance mécanique du solide à l'instant <math>\,t\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives, notée «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» la puissance instantanée développée, à l'instant <math>\,t</math>, par les forces extérieures non conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}appliquées au solide notée «<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on obtient «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» d'où l'énoncé du théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen : {{Théorème|titre=Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide »|contenu = {{Al|5}}La puissance mécanique à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> <math>\big[</math>avec, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie mécanique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{ext}}(t)}\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces }}conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math>» l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique }}est égale à la puissance instantanée développée par les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique est égale à }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> au même instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide à un instant <math>\,t\,</math> quelconque se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}c.-à-d., après intégration, « la conservation de l’énergie mécanique du solide précédemment défini ». === Application au cas d’un solide amorti === {{Al|5}}Parmi les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées à un solide et travaillant, « les plus fréquentes sont dissipatives » <ref> Mais elles peuvent aussi être motrices par exemple, si nous souhaitons que les oscillations d’un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ou d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] perdurent alors qu’existent naturellement des frottements {{Nobr|<math>\,\big(</math>même}} minimes<math>\big)</math>, il est nécessaire de les entretenir à l’aide d’une force extérieure motrice compensant les forces de frottement, cette force motrice étant alors usuellement non conservative tout comme le sont les forces de frottement.</ref> comme les forces de frottement fluide <math>\,\big(</math>ou solide<math>\big)</math> ; {{Al|5}}si les seules forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> travaillant sont des forces de frottement s'exerçant sur un solide en mouvement dans un référentiel galiléen, <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces }}conservatives <ref name="théorème de la puissance mécanique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_la_puissance_mécanique_appliqué_à_un_«_solide_»|théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}s’écrivant «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{frott}}\!(t) < 0\;</math>» dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}l'énergie mécanique de ce solide «<math>\;E_m(t) \searrow\,</math> au sens strict » avec <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}</math> <math>\big(</math>il est qualifié d'« amorti »<math>\big)</math>. ==== Cas particulier du pendule de torsion amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] dont la photographie est dans un « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|paragraphe plus haut dans ce chapitre]] » mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}avec les masselottes remplacées par des ailettes comme présenté dans le schéma de vue de dessus de la « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|remarque du paragraphe précité]] », <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}L'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d'un fil et sa conservation en absence de frotemment]] (2^ème exemple) » plus haut dans ce chapitre dans lequel <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> doit être remplacée par <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})</math>.</ref> dans le référentiel <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen, {{Al|5}}aux deux couples extérieurs de torsion conservatifs s'exerçant sur le solide « tige + ailettes » et « dérivant » de l'énergie potentielle de ce dernier dans le champ de torsion des deux fils, à savoir «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) =</math> <math>\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <math>\;\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre du solide <math>\;\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big)\;</math><ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d'un fil et sa conservation en absence de frottement]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, il convient d'ajouter {{Al|5}}le « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Couple_de_frottement_fluide_linéaire_agissant_sur_le_pendule_par_l’intermédiaire_des_ailettes|couple de frottement fluide linéaire agissant sur le pendule par l'intermédiaire des ailettes]] » dont le moment scalaire relativement à l'axe <math>\;\Delta_C\;</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C} = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» établi au chap.<math>7</math> de la leçon « Mécanique 2 (PCSI) » <math>\;\big[H\;</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frottent les ailettes<math>\big]\;</math> montre qu'il est non conservatif <ref name="raison du caractère non conservatif"> En effet pour que ce couple soit conservatif il faudrait que son moment scalaire ne dépende que de <math>\;\theta\;</math> ou soit constant mais en aucun cas dépendant de <math>\;\dot{\theta}</math>.</ref>, la puissance du couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\;t</math>, selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant «<math>\;E_m(t) = K(t) + U_{\text{tors}}\!\left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2\!(t) + \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2}\!(t) - C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d'un fil et sa conservation en absence de frottement]] » plus haut dans ce chapitre en remplaçant « solide + masselottes » par « solide + ailettes ».</ref> à l'instant <math>\;t\;</math> dans le référentiel d'étude <math>\;\mathcal{R}</math>, <math>\;\big[J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;</math> étant le moment d'inertie du solide « tige + ailettes » relativement à l'axe commun <math>\;\Delta_C\;</math> des deux fils <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /><math>\big]\;</math> on en déduit aisément, dans <math>\;\mathcal{R}\;</math> et à l'instant <math>\;t</math>, la puissance mécanique du solide « tige + ailettes » dans le champ de torsion des fils en formant <math>\;\dot{E}_m(t) = \dfrac{d E_m}{dt}(t)\;</math> puis {{Al|5}}l’application du théorème de la puissance mécanique au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> nous conduit à «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» ou «<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» soit encore, {{Al|5}}en explicitant la dérivée temporelle de l’énergie mécanique puis en divisant par «<math>\;\dot{\theta}\!(t)\;</math>», l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon «Mécanique 2 (PCSI)» à savoir <center>«<math>\;J_{\Delta_C}\!\left( \text{tige} + \text{ailettes} \right)\;\ddot{\theta}(t) + H\;\dot{\theta}(t) + 2\;C\;\theta(t) = 2\;C\;\theta_1\;</math>».</center> ==== Cas particulier du pendule pesant à un degré de liberté amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] à un degré de liberté du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre avec des frottements fluides linéaires comme présenté dans la vue de profil de la remarque du paragraphe précité, {{Al|5}}à la force extérieure «<math>\;m\;\vec{g}\;</math>», conservative, s'exerçant sur le P.P.A. <ref name="P.P.A." /> et « dérivant » de l'énergie potentielle de pesanteur de ce dernier, à savoir «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) =</math> <math>m\;g\;\mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos(\theta) \right]\;</math>» <math>\;\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre stable du solide <math>\;\theta_{\text{éq. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P." /><math>\big)\;</math><ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, il convient d'ajouter {{Al|5}}les forces de frottement fluide linéaire dont le moment scalaire relativement à l'axe <math>\;\Delta_O\;</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t) = -H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» a été établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « Mécanique 2 (PCSI) » <math>\;\big[H\;</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du pendule, de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel il frotte<math>\big]\;</math> montre que ces forces de frottement est un système non conservatif <ref name="raison du caractère non conservatif" />, la puissance de ces forces de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\;t</math>, selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right] =</math> <math>\mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t)\;\dot{\theta}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}l'énergie mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> étant «<math>\;E_m(t) = K(t) + U_{\text{pes}}\!\left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> à l'instant <math>\;t\;</math> dans le référentiel d'étude <math>\;\mathcal{R}</math>, <math>\;\big[J_{\Delta_O}\;</math> étant le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> relativement à son axe <math>\;\Delta_O\;</math> de rotation <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /><math>\big]\;</math> on en déduit aisément, dans <math>\;\mathcal{R}\;</math> et à l'instant <math>\;t</math>, la puissance mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en formant <math>\;\dot{E}_m(t) = \dfrac{d E_m}{dt}(t)\;</math> puis {{Al|5}}l’application du théorème de la puissance mécanique au P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> nous conduit à «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right]\;</math>» ou «<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» soit encore, {{Al|5}}en explicitant la dérivée temporelle de l’énergie mécanique puis en divisant par «<math>\;\dot{\theta}\!(t)\;</math>», l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon «Mécanique 2 (PCSI)» à savoir <center>«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) + H\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>».</center> == Notes et références == <references /> {{Bas de page | idfaculté = physique | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie|Approche énergét. du mouv. d'un sol. en rotat. autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels|Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels]] }} h16ga4wvzvemwoo2wjph4uzm7ppybvx 987936 987935 2026-10-31T13:35:27Z Phl7605 31541 /* Cas particulier du pendule de torsion amorti par frottement fluide linéaire */ 987936 wikitext text/x-wiki {{Chapitre | idfaculté = physique | numéro = 12 | niveau = 14 | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie/]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels/]] }} <center>Ce chapitre est traité dans le cadre de la dynamique newtonienne avec ajout de quelques éléments de dynamique relativiste.</center> == Théorème de l'énergie cinétique d’un système de matière, cas d’un solide en rotation autour d’un axe fixe == {{Al|5}}Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}est évidemment à connaître comme forme intégrée de la forme locale <ref name="forme intégrée de forme locale"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Lois_de_la_puissance_et_de_l'énergie_cinétiques#Différence_entre_«_forme_locale_de_la_dynamique_»_et_«_forme_intégrée_associée_à_cette_forme_locale_»|différence entre forme locale de la dynamique et forme intégrée associée à cette forme locale]] » du chap.<math>15</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> « théorème de la puissance <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}cinétique d'un système de matière » laquelle est inscrite explicitement dans le programme <math>\;\ldots</math> === Définition du travail du système des forces extérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque"> Par « système de matière quelconque » il faut entendre « système fermé discret de points matériels ou continu de matière » « déformable ou non ».</ref> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1"> A priori <math>\,N\,</math> pourrait être égal à <math>\,1\,</math> mais ce ne serait plus un système de points matériels mais un simple point matériel.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes"> C.-à-d. l’ensemble des paramètres de position et de vitesse de tous les points à l'instant de définition de l'état, tous ces paramètres permettant d’y décrire le système.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> entre }}l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Expression_du_travail_élémentaire_de_la_force_dont_le_point_d’application_subit_le_vecteur_déplacement_élémentaire_correspondant_à_la_durée_élémentaire_de_développement_de_sa_puissance|expression du travail élémentaire de la force dont le point d'application subit le vecteur déplacement élémentaire correspondant à la durée élémentaire de développement de sa puissance]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - bis"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="infiniment proches"> Instants infiniment proches.</ref>, son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité volumique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance volumique <math>\,\mathcal{P}_{\text{vol},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t)</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité surfacique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance surfacique <math>\,\mathcal{P}_{\text{surf},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) =</math>}} <math>\sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité linéique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance linéique <math>\,\mathcal{P}_{\text{lin},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right] dt\;</math>».</ref>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« chaque point <math>\,\color{transparent}{M_i}\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> entre «<math>\;\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\;</math>» }}son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\,</math> étant aussi tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces extérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces extérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" />. === Définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est également présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2"> Pour l'existence de forces intérieures appliquées à un système, <math>\,N\,</math> doit être évidemment <math>\,\geqslant\,</math> à <math>\,2</math>.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes" /> et l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" /> sachant que <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir }}le système des forces intérieures s'exerçant sur le système discret fermé de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le système des forces intérieures }}est défini comme « l'ensemble des forces <math>\,\vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t)\,</math> que chaque point <math>\,M_j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, exerce sur chaque point <math>\,M_i,\;\;i \neq j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math>» <ref name="système de forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Forces,_principe_des_actions_réciproques#Système_des_forces_intérieures_s’exerçant_sur_un_système_de_points_matériels_fermé|système des forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math> entre les instants <math>\;t\;</math> et <math>\;t + dt\;</math> selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i} \right]\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - ter"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> dans lequel, chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \mu(M')\;d \mathcal{V}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bivolumique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}}{d \mathcal{V}_{M'}\;d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \sigma(M')\;d S_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\;</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bisurfacique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}}{d S_{M'}\;d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \lambda(M')\;d \mathit{l}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\;\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bilinéique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}}{d \mathit{l}_{M'}\;d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace dt\;</math>».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces intérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces intérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière" />. {{Al|5}}<u>Remarque 1</u> : Le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures }}peut aussi être défini à partir de la puissance instantanée développée par les forces intérieures s’exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="définition de la puissance développée par les forces intérieures"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Définition_2|définition]] (de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures peut aussi être défini }}selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - tetra"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : }}le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}s'obtenant en ajoutant tous les travaux élémentaires de <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}peut se calculer à partir de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> peut se calculer }}par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>». {{Al|5}}<u>Remarque 2</u> : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math><ref name="définition du référentiel Rj"> Le référentiel «<math>\;\mathcal{R}_j\;</math>» est le référentiel lié à <math>\,M_j\,</math> en translation par rapport au référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#cite_note-puissance_des_forces_intérieures_s'exerçant_sur_système_continu_de_matière_-_ter-55|⁵⁵]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> dans le référentiel <math>\,\color{transparent}{\mathcal{R}}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}_{\text{int}}(t)}</math> }}<math>= \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Autres_expressions_équivalentes|autres expressions équivalentes]] de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj"> Le point <math>\,M_i\,</math> décrivant dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_j</math> <math>\,\big[</math>lié à <math>\,M_j\,</math> et en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\big]\,</math> une trajectoire particulière <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}\;</math> entre les deux instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t)\big]\,</math> étant tangent à <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}</math>.</ref> ou <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures «}}<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right]\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : }}de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière" />{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" />{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" />. {{Al|5}}<u>Remarque 3</u> : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nulle <ref name="puissance des forces intérieures en général non nulle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (1^ère conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu"> Système discret de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique"> Le système se comporte donc comme un solide au sens de la mécanique.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures nulle pour un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (3^ème conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = 0\;\;\forall\;t\,</math> pour <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = 0\;\;\forall\;\left[ t\,,\,t + dt \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> le devient }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = 0\;\;\forall\;\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> ». === Théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Partant du théorème de la puissance cinétique appliqué, à l'instant <math>\,t</math>, à un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Énoncé|énoncé]] du théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> dans lequel <math>\,\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math> est la puissance cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{ext}}(t)\,</math> la puissance développée par les forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\,</math> celle développée par les forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la même date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on multiplie par <math>\,dt\,</math> pour obtenir la forme élémentaire du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir la forme élémentaire }}entre «<math>\;t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\;</math>» où <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> est la variation élémentaire d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{ext}}\,</math> le travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{int}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur le même <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on intègre entre <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique }}entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec <math>\,\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\,</math> variation d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\,</math> }}sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> le travail des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> le travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> celui des forces intérieures }}sur le même <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>. {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> étant nul quel que soit le mouvement du système » <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Définition_du_travail_du_système_des_forces_intérieures_appliquées_à_un_«_système_de_matière_»_entre_un_état_initial_et_un_état_final|définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un système de matière entre un état initial et un état final]] (remarque 3) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul }}<math>\Rightarrow</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide sous sa forme élémentaire ou <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide }}sur une durée finie : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière en translation » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière"> Système fermé discret fermé de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> en translation » <ref name="système en translation"> Un « système de matière en translation » ne se déformant pas peut aussi être qualifié de « solide » au sens de la mécanique.</ref>, tous les points ont le même vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> égal à celui du C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> <math>\,G\,</math> du système, d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\!G}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <ref name="signification du travail élémentaire développé par les forces extérieures appliquées à un système en translation"> Dans cette 3^ème expression «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» est aussi « le travail élémentaire qui serait développé, sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\,t + dt \right],</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>, par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans <math>\,\mathcal{R}\;</math>» <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», ce dernier s'obtenant par application du théorème du mouvement du C.D.I. <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Principe_fondamental_de_la_dynamique_et_théorème_de_la_résultante_cinétique#Énoncé_du_théorème_(dynamique_newtonienne)|énoncé du théorème (dynamique newtonienne)]] du mouvement du C.D.I. d'un système » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> correspondant aussi à l'application de la r.f.d.n. <math>\,\big(</math>relation fondamentale de la dynamique newtonienne<math>\big)\,</math> au point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>» sur lequel s'exercerait la résultante dynamique<math>\big\}</math>.</ref> dans laquelle «<math>\;\vec{F}_{\text{ext}}(t)\;</math> est la résultante <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}«}}dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» <ref> Voir les paragraphes « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_en_translation_»|cas d'un système de matière en translation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » et « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissancce développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces intérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{int},\,\text{syst. en transl.}} = 0\;</math>» <ref name="système en translation" />{{,}} <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>de la variation élémentaire de l'énergie cinétique du système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en transl.}}\;</math>» avec «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="signification de l'énergie cinétique d'un système en translation"> Dans cette 2^ème expression «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» est aussi « l'énergie cinétique newtonienne du point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans {{Nobr|<math>\,\mathcal{R}\,</math>»}} <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», tous les points du système en translation ayant même vitesse que le C.D.I. <math>\,G\big\}</math>.</ref> l'énergie cinétique <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, dans le cadre de la cinétique newtonienne <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en translation"> Voir le paragraphe « énergie cinétique dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Cas_d'un_système_en_translation|cas d'un système en translation]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique }}appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" />{{, }} <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque dans un référentiel galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> nous obtenons : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un référentiel <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière en translation <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> étant le C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> et <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =}</math> }}la résultante dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\,</math> ou <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste"> Applicable sous cette forme dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste.</ref> avec <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="système fermé de matière" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système en translation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =</math> <math>K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail effectué par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail effectué par la résultante dynamique }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <br>{{Al|208}}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Ce théorème <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais il doit bien sûr être connu <ref> Sans doute ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. car on considère usuellement un système de matière en translation comme un point matériel <math>\,\big(</math>le C.D.I. <math>\,G\,</math> du système<math>\big)\,</math> sur lequel s'exerce la résultante dynamique du système et, selon ce point de vue, le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un système de matière en translation n'est rien d'autre que le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un point matériel, lequel est, quant à lui, au programme <math>\;\ldots</math></ref>. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}<u>Préliminaire</u> : Un « système <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » peut, a priori, se déformer <ref name="système en rotation autour d'un axe"> Par exemple, en se dilatant, c.-à-d. que chaque point du système, en plus de sa rotation autour d'un axe fixe, s'éloigne radialement de cet axe <math>\,\big(</math>la vitesse d'éloignement pouvant être différente d'un point à un autre<math>\big)\,</math> mais dans ce cas il ne s'agit pas d'une rotation « pure » <math>\;\ldots</math> <br>{{Al|3}}Pour maintenir une même vitesse angulaire à un instant <math>\,t\,</math> pour tous les points d'un « système déformable », il faut que le mouvement orthoradial de chacun des points soit corrélé au mouvement radial correspondant, avec absence de mouvement axial, c.-à-d. que, pour deux points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> tels que la droite <math>\,M_iM_j\,</math> recoupe l'axe <math>\,\Delta\,</math> perpendiculairement en <math>\,H_{i,\,j}</math>, <math>\,\big[</math>les points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> ayant donc même abscisse angulaire <math>\,\theta_{i,\,j}(t)\big]\,</math> on ait <math>\,\dot{\theta}_{i,\,j}(t) = \overline{\Omega}(t)</math> <math>\,\big[</math>donc indépendant de <math>\,\left( i\,,\, j \right)\big]\,</math> pour tout instant <math>\,t\,</math> et pour tout couple <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> dont les éléments ont même abscisse angulaire, ces conditions étant très contraignantes sont quasiment jamais réalisées naturellement <math>\;\ldots</math></ref>, toutefois, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Préliminaire : un « système <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>fermé<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » }}il est, en pratique, indéformable et est alors qualifié de « solide » au sens de la mécanique ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Préliminaire : }}l’exposé ci-dessous s'applique à un système discret <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de points matériels ou un système continu <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}<u>Exposé</u> : Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière" /> indéformable, en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe <math>\,\Delta</math>, fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen », <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}tous les points ont le même vecteur rotation instantanée <math>\,\vec{\Omega}(t) = \overline{\Omega}(t)\;\vec{u}_{\Delta}\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\big[\vec{u}_{\Delta}\,</math> étant le vecteur unitaire orientant l'axe de rotation <math>\,\Delta\,</math> et <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\big[}</math>}}autour de cet axe de rotation <math>\,\Delta\big]\,</math> d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe"> Expression ne nécessitant pas que l'axe <math>\,\Delta\,</math> soit fixe, la fixité de l'axe dans un référentiel intervenant quand ce dernier est galiléen et quand on utilise l'un des théorèmes fondamentaux de la dynamique de rotation des systèmes <math>\,\big\{</math>par exemple le théorème de l'énergie cinétique établi dans ce paragraphe mais le traavail élémentaire déveeloppé par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» ne nécessite pas que <math>\,\Delta\,</math> soit fixe<math>\big\}</math>.</ref>{{,}} <ref name="travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur un système en rotation"> Voir le paragraphe « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> {{Nobr|«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)</math>}} <math>= \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;</math>» et le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\delta W\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right] = \mathcal{P}\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right]\;dt\;</math>» puis, en faisant la somme membre à membre de façon à définir le travail élémentaire du sytème des forces extérieures s'exerçant sur le système en rotation «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)\;dt\;</math>».</ref> où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> est le moment <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» ou, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>du travail élémentaire }}avec «<math>\;\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta\;</math>» dans lequel <math>\,\theta(t)\,</math> est l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, la réécriture <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>,«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>de la variation de l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}}\;</math>» avec, l'énergie cinétique, à l'instant <math>\,t</math>, de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le cadre de la cinétique newtonienne «<math>\;K_{\text{syst. en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en rotation autour d'un axe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d’un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d’un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> avec «<math>\;J_\Delta\,</math> le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}relativement à <math>\,\Delta\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe"> Voir la notion de moment d'inertie d'un système discret ou continu dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Application_à_un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe#Application_au_cas_d'un_«_système_fermé_de_matière_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe_«_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|application d'un système fermé de matière en rotation autour d'un axe Δ fixe quelconque dans un référentiel d'étuide galiléen]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> d'où, en cinétique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> appliqué à un solide <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_solide_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d'un système }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> avec «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» et «<math>\;\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <math>\,\overline{\Omega}(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}<math>= \dot{\theta}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> encore égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>avec <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> et <math>\,\theta(t)\,</math> l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" />, sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail du moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail du }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[\theta(t)\,</math> étant l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation est égale au travail du «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[\theta}\,</math> étant l'abscisse angulaire }}à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> étant le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = 2\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)}\;</math>» <math>\,\big[</math>}}<math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] <math>\,\big(</math>photographié ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_(non_amorti)|mise en équation différentielle du mouvement du pendule de torsion (non amorti)]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Théorème_de_la_puissance_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_autour_d'un_axe_Δ_fixe_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe dans un référentiel d'étude galiléen]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. {{Al|5}}Ci-contre le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec deux fils de torsion identiques de même constante de torsion «<math>\;C\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec }}positions de masselottes identiques <math>\,\big(</math>sauf pour la couleur<math>\big)\,</math> de part et d'autre du point <math>\,C\,</math><ref name="distinction entre point d'attache des fils sur la tige et constante de torsion des fils"> On accepte la même notation pour le point d'attache des deux fils sur la tige et la constante de torsion de ces derniers tant qu'il n'y a pas d'ambiguïté <math>\,\big(</math>ce qui ne devrait jamais arriver compte-tenu du fait que ces deux grandeurs sont de nature différente<math>\big)</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec positions de masselottes identiques }}<math>\,\big(C\,</math> point d’attache des deux fils de torsion sur la tige<math>\big)</math> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre <math>\,\big(</math>en absence de masselottes<math>\big)\,</math> diffère du « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] » de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici l'extrémité supérieure <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil de torsion supérieur est mobile au lieu d'être fixe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur étant dans les deux fixe et <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici la torsion initiale est fournie par rotation propre de <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> d'un angle «<math>\;2\,\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>repéré sur le cercle gradué lié à <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}</math>, position de référence du cercle gradué<math>\big)\,</math> <math>\Rightarrow</math> en pratique, après quelques oscillations, la tige <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}acquiert la position d'équilibre repérée par l'angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>voir vérification ci-dessous<math>\big)\,</math> alors que <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] la torsion initiale est fournie par rotation de la tige d'un angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>également repéré <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>dans le pendule du chap.7 }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}\big)</math>, la position d'équilibre de la tige étant repérée par l'angle nul ; {{Al|5}}<u>vérification de la position d'équilibre de la tige dans le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}orientant les deux fils de torsion du bas vers le haut, quand la tige acquiert la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion supérieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche"> Une hélice est « droite » si le point tourne sur la gauche <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique direct ou encore dans le sens antihoraire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée et <br>{{Al|31}}elle est « gauche » si le point tourne sur la droite <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique indirect ou encore dans le sens horaire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée <br>{{Al|3}}<math>\,\big[</math>revoir aussi la distinction « hélices gauche ou droite » dans le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Mouvement_de_particules_chargées_dans_des_champs_électrique_et_magnétique_:_Cas_particulier_d'un_champ_magnétostatique_uniforme#Nature_hélicoïdale_uniforme_du_mouvement_de_la_particule|nature hélicoïdale uniforme du mouvement de la particule]] » du chap.<math>24</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> d'un angle «<math>\;\theta_1 - 2\;\theta_1 = -\theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil"> L'angle de torsion du fil qui intervient dans le vecteur moment du couple de torsion est l'angle que fait l'extrémité mobile relativement à l'extrémité maintenue fixe même si cette extrémité est fixée avec torsion initiale comme c'est le cas pour le fil supérieur <math>\,\big\{</math>on peut vérifier que cette définition correspond bien au schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » car {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{A_0B_0}\;</math>»}} est lié à l'extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil supérieur et «<math>\;\overrightarrow{AB}\;</math>» à l’extrémité mobile <math>\,C\,</math> et il en est de même pour l'éventuel fil de torsion inférieur<math>\big\}</math>.</ref> par rapport à son extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion supérieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} = -C \left( -\theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion inférieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche" /> d’un angle «<math>\;\theta_1 - 0 = \theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil" /> par rapport à l’extrémité <math>\;O_{\text{inf}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion inférieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = -C \left( \theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = -C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur la tige vérifiant «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} + \vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = \vec{0}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur }}la tige est effectivement en équilibre dans cette position <math>\;\ldots</math> {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <math>\,\big\{</math>ensemble solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC"> L'axe <math>\,\Delta_C\,</math> est le support des fils de torsion.</ref> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemb}}le solide étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles"> Repérée par rapport à la position de l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemble solide étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des masselottes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des masselottes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des masselottes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur"> L'angle de torsion du fil supérieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 2\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation"> Il s'agit de l'application de la puissance instantanée développée par un système de forces extérieures sur un solide en rotation autour d'un axe fixe <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d'un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> quand le système de forces extérieures est équivalent à un couple <math>\,\big[</math>c.-à-d. un système dont la résultante est nulle et dont le moment résultant scalaire relativement à l'axe de rotation définit le moment scalaire du couple<math>\big]</math>.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur"> L'angle de torsion du fil inférieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 0 = \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cin%C3%A9tique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d'un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;</math> est le moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et masselottes » en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_C\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre"> Ce qui suppose que <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> est non identiquement nulle <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\theta(t)\,</math> n'est pas une constante c.-à-d. que le solide n'est pas à sa position d'équilibre.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à droite «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta_1\;</math>», équation différentielle linéaire <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants sans terme du 1^er ordre hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_non_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition non énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] », la présence d'un 2^nd membre constant signifiant que le paramètre caractérisant l'oscillateur dans l'espace n'est pas nul à l'équilibre.</ref> de rotation ; {{Al|5}}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Conséquence_«_le_pendule_de_torsion_(non_amorti)_est_un_oscillateur_harmonique_non_amorti_de_rotation_»|conséquence : le pendule de torsion (non amorti) est un oscillateur harmonique non amorti de rotation]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » ; [[File:Pendule de torsion amorti - vue de dessus.png|thumb|300px|Vue de dessus d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti par substitution d'ailettes planes aux masselottes fixées sur la tige <math>\,\big(</math>les fils de torsion supérieur et inférieur <math>\,\perp\,</math> au plan de la figure ne peuvent y être représentés<math>\big)</math>]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> du }}<math>\big(</math>voir vue de dessus partielle représentée ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre étant écarté initialement comme celui de début de paragraphe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, le pendule ci-contre étant écarté initialement }}la tige acquiert donc une position d'équilibre repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}l'ensemble « tige et ailettes » étant un solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC" /> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant }}le solide est, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant le solide est, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}les actions extérieures sont <math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des ailettes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{ailettte}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des ailettes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des ailettes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{ailette}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu dans lequel se déplace le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] exercent sur les ailettes, modélisées par un <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> }}couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion"> voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Couple_de_frottement_fluide_linéaire_agissant_sur_le_pendule_par_l’intermédiaire_des_ailettes|couple de frottement fluide linéaire agissant sur le pendule par l'intermédiaire des ailettes]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple }}<math>\big[H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}et du fluide sur lequel frottent les ailettes<math>\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide la puissance instantanée }}selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\,</math> est le moment d'inertie du solide « tige + ailettes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et ailettes » en rotation autour de <math>\,\Delta_C\,</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t) - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t) - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1 - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étudié «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta_1\;</math>», équation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}différentielle linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique" /> de rotation ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Loi_horaire_de_position_angulaire_du_pendule_de_torsion_amorti|loi horaire de position angulaire du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ». == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule pesant non amorti à un degré de liberté - forces extérieures.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté <math>\,\big(</math>schématisé ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_non_amorti_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_du_moment_cinétique_scalaire|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant non amorti (à un degré de liberté) par application du théorème du moment cinétique scalaire]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />. {{Al|5}}Ci-contre schéma de face du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] idéale <ref name="liaison idéale"> C.-à-d. dans laquelle on peut négliger les frottements solides.</ref> du solide en rotation autour de l’axe horizontal <math>\,\Delta_O\;</math><ref name="liaison pivot du pendule"> Pour plus de détails voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Présentation_du_pendule_pesant_(non_amorti)_«_P.P.(N.A.)_»|présentation du pendule pesant (non amorti) P.P.(N.A.)]] (liaison pivot avec le point O) » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Non Amorti.</ref> à un degré de liberté ayant un mouvement de rotation imposé par la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] du solide avec l'axe <math>\,\Delta_O</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté }}son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,O</math>, d'axe <math>\,\Delta_O\,</math> orienté par le vecteur unitaire «<math>\;\vec{u}_{\Delta_O}\;</math>» et <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,\color{transparent}{O}</math>, }}de rayon «<math>\;\mathfrak{a}\;</math>» avec, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. }}<math>G\,</math> repéré par son abscisse angulaire «<math>\;\theta_G(t) = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\overrightarrow{OG}(t) \right\rbrace} = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\vec{u}_r(t) \right\rbrace}\;</math>» <ref name="noté theta"> Noté «<math>\;\theta(t)\;</math>» par la suite en absence d'ambiguïté.</ref> ; {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = \left[ \overrightarrow{OG}(t) \wedge m\;\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_O} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids"> Le moment vectoriel du poids par rapport à <math>\,O\,</math> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)\;</math>» a établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_liaison_sphérique_et_avec_les_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b),_établissement_de_la_nature_plane_du_mouvement_du_C.D.I._G_du_P.P.(N.A.)|dans le cas d'une liaison sphérique et avec les C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), établissement de la nature plane du mouvement du C.D.I. G du P.P.(N.A.)]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] », soit «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\varphi_G}(t)\;</math>» avec <math>\,\vec{u}_{\varphi_G}\,</math> s'identifiant à <math>\,\vec{u}_{\Delta_O}</math>. <br>{{Al|3}}On pouvait aussi déterminer directement le moment scalaire du poids, le schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_«_liaison_pivot_»_ou_d’une_«_liaison_sphérique_avec_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b)_»,_nouveau_repérage_adapté_à_la_nature_rotatoire_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_à_un_degré_de_liberté|dans le cas d'une liaison pivot ou d'une liaison sphérique avec C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), nouveau repérage adapté à la nature rotatoire du mouvement du P.P.(N.A.) à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » étant fait avec le paramètre de position angulaire <math>\,\theta > 0</math>, on observe que le poids tend à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,-\,</math> avec un bras de levier <math>\,\big(</math>distance orthogonale séparant l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du support de <math>\,m\;\vec{g}\big)\,</math> égal à <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où, dans le cas où <math>\,\theta\,</math> est <math>\,> 0</math>, {{Nobr|«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)</math>}} <math>= - \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>» <math>\,\Big\{</math>le résultat est indépendant du signe de <math>\,\theta\,</math> mais si le schéma était fait avec <math>\,\theta < 0</math>, on observerait que le poids tendrait à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,+\,</math> avec un bras de levier <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = + \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = m\;g\;\left[ -\mathfrak{a}\; \sin(\theta) \right] = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>», soit effectivement le même résultat <math>\,\big[</math>avec toutefois une possibilité d'erreur si on oubliait que <math>\,\theta < 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert = -\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\big]\Big\}</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_particulier_où_M_est_en_mouvement_circulaire_d'axe_Δ_et_de_vitesse_angulaire_instantanée_Ω(t)|cas particulier où M est en mouvement circulaire d'axe Δ et de vitesse angulaire instantanée Ω(t)]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> de la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I."> Conditions Initiales.</ref> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O"> On a établi dans la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#cite_note-réduction_à_deux_composantes_de_la_réaction_dans_ces_C.I.-18|¹⁸]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » que la réaction du point <math>\,O\,</math> dans l'hypothèse d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] sur le pendule lancé dans les C.I. <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\,</math> ou <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\,</math> s'écrirait <math>\,\vec{R}(t) =</math> <math>R_{\rho_G}(t)\;\vec{u}_{\rho_G}(t) + R_z(t)\;\vec{u}_z</math>, c.-à-d. que la réaction serait dans le plan vertical de lancement soit encore «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» ; <br>{{Al|3}}on établit de même <math>\,\big[</math>sans que cela ait été exposé dans le chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> que la réaction de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le pendule quels que soient les C.I. de lancement compatibles avec la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] s'écrit «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>».</ref> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul"> En effet la force étant <math>\,\perp\,</math> à l'axe par rapport auquel son moment scalaire est évalué est de bras de levier nul.</ref> auquel s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe"> Le couple étant de moment vectoriel <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta_O</math>.</ref> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée à la date <math>\,t\,</math> par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée développée à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|7}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}sans terme du 1^er ordre ; {{Al|5}}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique"> On appelle « [[w:Solution_de_forme_fermée|solution analytique]] » d'une équation différentielle, une expression mathématique <math>\,\big(</math>souvent dite « formule explicite »<math>\big)\,</math> pouvant s'obtenir par une combinaison d'opérations et de [[w:Fonction_de_référence|fonctions de référence]] <math>\,\big(</math>c.-à-d. fonctions affines, puissances, trigonométriques et exponentielles ainsi que leurs fonctions inverses sur un domaine de définition restreint pour lequel il y a bijection et même certaines solutions d'équations différentielles dites de référence<math>\big)</math>, les opérations étant l'addition, la soustraction, la multiplication, la division et l'extraction de racines.</ref> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’élongations_angulaires_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'élongations angulaires non petites]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il est nécessaire de procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="solution analytique dans le cas d'élongations petites"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Cas_particulier_des_«_petites_élongations_angulaires_»,_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_=_oscillateur_harmonique_(non_amorti)_approché_de_rotation,_période_des_«_petites_oscillations_»|cas particulier des petites élongations angulaires, pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) oscillateur harmonique (non amorti) approché de rotation, période des petites oscillations]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. [[File:Pendule pesant amorti à un degré de liberté - forces extérieures - bis.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures, <math>\,I\,</math> étant le point où la résultante des forces de frottement fluide peut être appliquée]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti <math>\,\big(</math>voir coupe partielle représentée ci-contre<math>\big)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire" /> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I." /> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O" /> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul" /> où s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe" /> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu où se déplace le [[w:Pendule_pesant|pendule]] exercent sur ce dernier, modélisées par <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}un couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_O}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti" />{{,}} <ref name="définition de H"> <math>\,H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]], de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frotte le solide.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Amorti.</ref> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0 - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right] - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_O}}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}avec terme linéaire du 1^er ordre ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique" /> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’amplitudes_initiales_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'amplitudes initiales non petites]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il faut procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique - bis"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » nécessitant néanmoins d'ajouter le terme d'amortissement <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A." />. == « En complément », caractère conservatif du couple de torsion, énergie potentielle de torsion et conservation de l’énergie mécanique du pendule de torsion (non amorti) dans le champ de torsion du fil == {{Al|5}}Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » ne sont pas explicités dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » }}il me semble souhaitable de le retenir <math>\,\big(</math>et bien sûr d’être capable de le retrouver<math>\big)</math>. === Caractère conservatif du couple de torsion === {{Al|5}}Le travail élémentaire d’un couple de torsion s’exerçant sur un solide, de vecteur moment «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t) = -C\;\alpha(t)\;\vec{u}_\Delta\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Expression_du_vecteur_moment_du_couple_de_torsion_exercé_par_le_fil_en_fonction_de_l'angle_de_torsion_«_α(t)_»,_notion_de_constante_de_torsion_«_C_»_du_fil_de_torsion|expression du vecteur moment du couple de torsion exercé par le fil de torsion α(t), notion de constante de torsion C du fil de torsion]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> lors d’une torsion élémentaire «<math>\;d \alpha\;</math>» <ref name="définition de Delta et alpha sur le fil de torsion"> <math>\,\Delta\,</math> étant la direction du fil de torsion orienté par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et «<math>\;\alpha\;</math>» l'angle de torsion algébrisé, défini au niveau de la liaison au solide dans le plan <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta\,</math> et orienté par <math>\,\vec{u}_\Delta</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion }}étant défini selon «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>», <math>\,\big[\overline{\Omega}(t)\,</math> étant la vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt}\;</math>», <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \alpha\;</math>»<math>\big]\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> soit finalement <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon }}«<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -C\;\alpha\; d \alpha\;</math>» correspondant à une différentielle de fonction <math>\Rightarrow</math> le <u>caractère conservatif du couple de torsion</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple"> Pour montrer qu’une force est conservative, on évalue son travail élémentaire en prenant un vecteur déplacement élémentaire quelconque <math>\,\overrightarrow{dM}\,</math> à partir du point d'application <math>\,M\,</math> de la force <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#2ème_définition_(équivalente)_d'une_force_«_conservative_»|2^ème définition (équivalente) d'une force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> ; <br>{{Al|3}}lorsqu'il s’agit d'un couple de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, il faut évaluer son travail élémentaire en envisageant une rotation élémentaire quelconque autour de n'importe quelle direction, le couple est alors conservatif si ce travail élémentaire est une différentielle de fonction mais <br>{{Al|3}}{{Transparent|lorsqu'il s'agit d'un couple }}dans le cas d’un couple de torsion de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, la seule direction autour de laquelle peut s’effectuer une rotation élémentaire est celle du fil c.-à-d. celle de <math>\,\vec{\Gamma}\,</math> et par suite la seule condition pour que le couple de torsion soit conservatif est que son travail élémentaire en considérant une rotation élémentaire autour de la direction du fil de torsion soit une différentielle de fonction ou encore que « le moment scalaire du couple de torsion par rapport au fil ne dépende que de l'angle de torsion <math>\,\alpha\;</math>» C.Q.E.R. <math>\,\big(</math>Ce Qui Est Réalisé<math>\big)</math>.</ref>. === Énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion === {{Al|5}}L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,U_{\text{tors}}\,</math> dont « dérive » le couple de torsion de vecteur moment <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}est définie par «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#1ère_définition_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|1^ère définition de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> c.-à-d. «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(\alpha)\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\,</math> ou <math>\,-C\;\alpha\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <math>\Leftrightarrow</math> «<math>\;\dfrac{dU_{\text{tors}}}{d \alpha} = C\;\alpha\;</math>» soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}en intégrant «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2 + cste\;</math>» ; choisissant la référence de l’énergie potentielle de torsion <math>\;U_{\text{tors}}(\alpha)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle"> C.-à-d. l'endroit où l'énergie potentielle est choisie nulle.</ref> <br>{{Al|7}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> en intégrant «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\alpha) = 2\; C\;\alpha^2 + cste}\;</math>» ; choisissant la référence }}quand le fil n’est pas tordu c.-à-d. <math>\,U_{\text{tors}}(0) = 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = 0</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}l'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d’un fil et sa conservation en absence de frottement === [[File:Pendule de torsion sans masselottes - actions exercées.png|thumb|500px|Schéma d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] représenté sans masselottes additives et avec fil inférieur sans torsion avec ajout des actions exercées sur la tige à l'instant <math>\;t</math>]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec un seul fil de torsion, l'autre fil étant sans torsion <math>\,\big(</math>voir schéma ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec un seul fil de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}la seule action extérieure de moment scalaire non nul par rapport à la direction <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}commune du fil de torsion et du fil sans torsion <math>\;\big(</math>orientée par le vecteur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> étant le couple « conservatif » de torsion <ref name="conservativité du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Caractère_conservatif_du_couple_de_torsion|caractère conservatif du couple de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}moment vectoriel «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}} = -C\;\alpha\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion /> auquel on associe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie potentielle de torsion du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre valant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;U_{\text{tors}}(t) =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion énergie potentielle de torsion }}<math>\,\dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_torsion_du_solide_relié_au_fil_de_torsion|énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}son énergie cinétique à la date <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{pend. tors.}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique }}<math>J_{CO_{\text{sup}}}\,</math> est le moment d'inertie du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] relativement à la <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique <math>\color{transparent}{J_{CO_{\text{sup}}}}\,</math> est }}direction du fil de torsion et du fil sans torsion <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à l'instant <math>\,t\,</math> selon «<math>\;E_m(t) = K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Propriétés_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|propriétés de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] (2^ème propriété) » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha_0 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\alpha(0) = \alpha_0\;</math> et <math>\,\dot{\alpha}(0) = 0\;</math>». [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]]]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige <math>\,\big(</math>voir photographie ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec deux fils de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}il y a deux actions extérieures s'exerçant sur le solide « tige + masselottes » de moment scalaire non nul par rapport à <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}la direction commune <math>\,\Delta_C\,</math> des deux fils de torsion <math>\,\big(</math>orientée par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}élémentaire du solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}prouve le <u>caractère conservatif du couple de torsion du fil supérieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}supérieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = -d U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta = -d U_{\text{tors. sup.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. sup.}}}{d \theta} = C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\,</math> qui s'intègre en <math>\,U_{\text{tors. sup.}}</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,= \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> et, en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. sup.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du solide à l'équilibre » c.-à-d. <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre"> Revoir l'explication rappelée dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans le chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil supérieur du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta_1 - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_1 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion"> Symboliquement l'énergie potentielle d'un solide dans le champ de torsion d'un fil de torsion s'obtient, à une constante additive près, par la moitié du produit de la constante de torsion du fil et du carré de l'angle de torsion, à l'instant <math>\;t</math>, du fil au point d'attache du solide.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation élémentaire du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\; \theta(t)\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et prouve le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<u>caractère conservatif du couple de torsion du fil inférieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}inférieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = -d U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\;\theta\;d \theta = -d U_{\text{tors. inf.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. inf.}}}{d \theta} = C\; \theta\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{tors. inf.}} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} + cste_2\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. inf.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position du solide à l'équilibre » c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil inférieur du solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2} + cste_2 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_2 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}finalement l'énergie potentielle globale de torsion du solide « tige + masselottes » <math>\,\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale }}s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = U_{\text{tors. sup.}}(\theta) + U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» ou, en simplifiant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale s'écrit }}«<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2\;</math>» <ref> En effet <math>\,\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + 2\;C\; \theta_1^{\,2} + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + C\; \theta_1^{\,2} = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2</math>.</ref>{{,}} <ref> Cette énergie potentielle de torsion du solide « tige + masselottes » est la même que celle que l'on obtiendrait avec un seul fil de torsion de constante de torsion <math>\,2\,C</math>, l'autre fil étant sans torsion avec la référence en la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>.</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule ci-dessus étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «<math>\;\color{transparent}{K_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#%Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torion par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique de l'ensemble tige + masselottes) » plus haut dans ce chapitre.</ref> avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule }}<math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion des deux fils définie, à l'instant <math>\,t\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie mécanique }}«<math>\;E_m(t) = K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}\! \left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\alpha\;</math>» dans le 1^er exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] ou <br>{{Al|57}}celui «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta - \theta_1 \right]^2 \,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du 2^ème exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|même]] paragraphe <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}étant parabolique, nous retrouvons la <u>2^ème définition d’un oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math>de rotation<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_(équivalente)_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition (équivalente) énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. <br>{{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> de son mouvement dans le 2^ème exemple du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}«<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2 = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>», <br>{{Al|58}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}les C.I. <ref name="C.I." /> étant «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}est donc une <u>ellipse décrite dans le sens horaire</u> <ref name="portrait de phase d'un socillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Tracé_du_portrait_de_phase_de_la_charge_du_condensateur_d'un_«_R_L_C_série_»_soumis_à_un_échelon_de_tension_suivant_le_cœfficient_d'amortissement|propriétés des portraits de phase de la charge du condensateur d'un RLC série soumis à un échelon de tension suivant le cœfficient d'amortissement]] (cas d'un circuit oscillant non amorti en vert) » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. == Conservation de l’énergie mécanique du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) dans le champ de pesanteur uniforme == === Énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant === {{Al|5}}Dans le cas d'un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref><math>\big)</math>, le poids du solide étant la seule action extérieure travaillant et ce dernier étant conservatif <ref name="poids d'un objet conservatif"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Établissement_du_caractère_«_conservatif_»_du_poids_d'un_point_matériel_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|établissement du caractère conservatif du poids d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, }}on lui associe l'énergie potentielle de pesanteur «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta)\;</math>» <ref name="énergie potentielle de pesanteur"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#«_Énergie_potentielle_de_pesanteur_d'un_point_matériel_»_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|énergie potentielle de pesanteur d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> déterminée en intégrant «<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = -dU_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> avec <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)\,</math> travail élémentaire du poids lors d'une rotation élémentaire d'angle <math>\,d \theta = \dot{\theta}(t)\;dt\,</math> autour de <math>\,\Delta_O\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe «<math>\;\color{transparent}{\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)}\,</math>}}<math>= \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;dt = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)\;dt = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;d \theta\;</math>» <ref name="travail élémentaire du poids du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (actions extérieures exercées sur le solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> d'où <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}<math>\,-dU_{\text{pes}} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\;d \theta\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{pes}}}{d \theta}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\,</math> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right) + cste\;</math>» <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}soit, en choisissant comme référence de l'énergie potentielle <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> « la position <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}d'équilibre stable de ce dernier <ref name="équilibre stable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessous de ce dernier.</ref> <math>\,\theta_{\text{éq. stable}} = 0\;</math>» d'où <math>\,U_{\text{pes}}(0) = 0\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}<math>\Rightarrow</math> <math>\,0 = -m\;g\;\mathfrak{a} + cste\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = m\;g\;\mathfrak{a}\,</math> d'où l'expression de <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}l'énergie potentielle de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> se réécrit selon <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta \right) \right]\;</math>» <ref> Pour trouver l'expression de l'énergie potentielle de pesanteur on peut aussi utiliser <math>\,\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = m\;g\;dz_G = -dU_{\text{pes}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{pes}} = -m\;g\;z_G + cste\,</math> sachant que <math>\,z_G = \mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right)\,</math> avec pour position d'équilibre stable <math>\,z_{G,\,\text{éq. stable}} = \mathfrak{a}</math> <math>\;\ldots</math></ref> <math>\,\big(</math>référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : la position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement === {{Al|5}}Considérant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A." /><math>\big)</math>, l'énergie potentielle de pesanteur étant «<math>\;U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right] = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\,</math> avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> <math>\,\theta_{\text{équi. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P."/> » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> et <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie cinétique du solide constituant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique du solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> dans laquelle <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie cinétique}}«<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du solide par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie mécanique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> dans le champ de pesanteur «<math>\;E_m\!(t) = K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) + U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right]</math> <br>{{Al|23}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie mécanique du P.P.N.A. dans le champ de pesanteur «<math>\;\color{transparent}{E_m\!(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{P.P.N.A.}}(t) + U_{\text{pes}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P..P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\,\left[ 1 - \cos(\theta) \right]\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}n'étant pas parabolique <math>\,\big(</math>mais sinusoïdal<math>\big)</math>, nous pouvons affirmer que <u>le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> n'est pas un oscillateur harmonique</u> <math>\,\big(</math>quand il est en situation d'osciller<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <math>\blacktriangleright\;</math>« oscillatoire pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'énergie mécanique initiale du P.P.N.A. vaut «<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^2 + m\;g\; \mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta_0 \right) \right]\;</math>».</ref> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. est }}<math>\blacktriangleright\;</math>« révolutive pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="étude du mouvement d'un P.P.N.A. par diagramme d'énergies"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Étude_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_dans_le_cas_général_des_élongations_angulaires_non_petites_par_diagramme_énergétique|étude du mouvement du P.P.(N.A.) dans le cas général des élongations angulaires non petites par diagramme énergétique]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}de démontrer, avec utilisation simultanée de l'intégrale 1^ère énergétique <ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'intégrale 1^ère énergétique du P.P.N.A. s'écrit «<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^{\,2} + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet de démontrer, }}la nature « périodique <math>\,\big(</math>oscillatoire ou révolutive<math>\big)\;</math>» ainsi que <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}d’établir l’expression de la période sous forme intégrale <math>\ldots</math> {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Les [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d’un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ayant pour équation implicite l’intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\;</math><ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" /> de son mouvement lequel dépend de la valeur de l'énergie mécanique initiale <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />, <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. }}diffèrent suivant <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="différents portraits de phase d'un P.P.N.A."> Voir les paragraphes « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Tracé_des_portraits_de_phase_dans_le_cas_général_«_d'oscillations_ou_de_mouvement_révolutif_»_d'un_P.P.S._lancé_dans_les_C.I._«_1b_U_1a_»|tracé des portraits de phase dans le cas général d'oscillations ou de mouvement révolutif d'un P.P.S. lancé dans les C.I. 1b U 1a]] » du chap.<math>12</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\,\big(</math>l'allure des [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti étant la même que ceux d'un [[w:Pendule_simple|pendule simple]] non amorti<math>\big)\,</math> et « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Différents_portraits_de_phase_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté),_«_bifurcation_»_entre_mouvement_«_pendulaire_»_et_révolutif|différents portraits de phase du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté), bifurcation entre mouvement pendulaire et révolutif]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>pendulaire</u> <ref name="pendulaire"> Adjectif synonyme d'« oscillatoire ».</ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>fermé</u>, décrit dans le « <u>sens horaire</u> » <ref name="justification du sens horaire"> Ou « trigonométrique indirect », en effet « quand <math>\,\dot{\theta}\,</math> est <math>\,> 0</math>, <math>\,\theta \nearrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \nearrow\,</math> puis <math>\,\searrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule » ensuite «<math>\;\dot{\theta}\,</math> est <math>\,< 0</math>, correspondant à <math>\,\theta \searrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \searrow\,</math> puis <math>\,\nearrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule de nouveau » <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}avec le point «<math>\;\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)\;</math>» comme « <u>centre de </u>{{Nobr|<u>symétrie</u> » <ref name="justification du centre de symétrie"> Invariance de l’équation en changeant «<math>\;\theta\,</math> en <math>\,-\theta\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des vitesses angulaires <math>\,\big(</math>en fait antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>» et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Invariance de l’équation }}en changeant «<math>\;\dot{\theta}\,</math> en <math>\,-\dot{\theta}\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des abscisses angulaires <math>\,\big(</math>là encore c'est une antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|3}}l’association des deux symétries axiales <math>\,\big(</math>ou plutôt des deux antisymétries axiales<math>\big)\,</math> donnant un centre de symétrie pour l'intersection des deux axes <math>\,\big[</math>le point d'intersection des deux axes étant réellement une symétrie centrale <math>\,\big(</math>et non une antisymétrie centrale<math>\big)</math>.</ref>}} <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, avec le point «<math>\;\color{transparent}{\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)}\;</math>» }}correspondant à la position d’équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /> du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ; <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> }}<math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>révolutif</u>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>ouvert</u>, constitué de la <u>répétition du motif de l'intervalle</u><math>\;\left] -\pi\, , \, \pi \right]</math>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase }}répété <math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \nearrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} > 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 > 0\;</math>» ou <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase répété }}<math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \searrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} < 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 < 0\;</math>», <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)\;</math>» et celui avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,-\dot{\theta}_0 > 0 \right)\;</math>» <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, le portrait de phase avec C.I. «<math>\;\color{transparent}{\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)}\;</math>» }}étant <u>antisymétriques</u> l'un de l'autre, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>maxima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre stable</u> <ref name="équilibre stable du P.P." /> «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres stables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» ;<br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}\;</math>»<math>\big)\;</math> alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big)</math>.</ref> et <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>minima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre instable</u> <ref name="équilibre instable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessus de ce dernier.</ref> «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;</math> <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, les minima de<math>\;\color{transparent}{\vert \dot{\theta} \vert}\;</math>obtenus pour les positions d’équilibre instable «<math>\;\color{transparent}{\theta_{\text{éq. inst.}} =}</math> }}<math>\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres instables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = -\left( 2\;p' + 1 \right)\, \pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big[</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big]\;</math>.</ref>. == « Généralisation » à tout « solide » : « théorème de la variation de l’énergie mécanique » et la forme locale associée « le théorème de la puissance mécanique », application au cas d’un solide amorti == {{Al|5}}Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à la généralisation à tout système de points matériels ou continu de matière « indéformable » <ref name="solide au sens de la mécanique" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à }}la généralisation aux systèmes de points matériels ou continus de matière « déformables » sera faite dans le chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Lois_de_l'énergie_cinétique_pour_un_système_déformable_de_points_matériels#«_En_complément_»,_théorème_de_la_variation_de_l’énergie_mécanique_appliqué_à_un_système_de_matière_déformable_dans_le_champ_des_forces_extérieures_et_intérieures_conservatives_et_sa_forme_locale_«_le_théorème_de_la_puissance_mécanique_»|en complément : théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un système de matière déformable dans le champ des forces extérieures et intérieures conservatives et sa forme locale le théorème de la puissance mécanique]] » du chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. === Théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s’écrivant «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\bullet\;</math>celles qui sont conservatives <math>\,\big(</math>lesquelles « dérivent » d’une énergie potentielle<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{ransparent}{\bullet}\;</math>}}dont le travail pendant cette durée finie est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées }}<math>\bullet\;</math>celles qui sont non conservatives <ref name="non conservatives"> Ou, si elles sont conservatives, dont on ne considère pas le caractère « conservatif ».</ref> dont le travail pendant cette durée finie <br>{{Al|12}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>celles qui sont non conservatives dont }}est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}d'où «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou, avec «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, }}<math>\big(U_{\text{ext}}\,</math> étant l'énergie potentielle dont dérivent les forces conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, <math>\color{ransparent}{\big(}</math>}}définie à une constante additive près précisée par choix de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}<math>\Rightarrow</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» d’où la réécriture du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « solide <math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\left( \mathcal{S} \right)} + U_{\text{ext}} \right] = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» où on reconnaît dans le 1^er membre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}la variation de l’énergie mécanique «<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t) + U_{\text{ext}}\!(t)\;</math>» du solide «<math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le champ des forces conservatives sur la durée <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> dans le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où dans le champ des forces conservatives }}référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen d'où, finalement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}le lien entre la variation de l'énergie mécanique du « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;\Delta E_m = E_{m,\,\mathcal{F}} - E_{m,\,\mathcal{I}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» le lien }}le travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> sur cette même durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}«<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» applicable à un solide dans un référentiel d’étude galiléen, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}l'énoncé du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie dans un référentiel galiléen <ref> Ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. sous la forme où il existe des forces extérieures non conservatives dissipatives mais, comme le cas où toutes les forces extérieures travaillant sont conservatives est clairement explicité <math>\,\big(</math>sous la forme de la conservation de l’énergie mécanique du solide<math>\big)</math>, le cas où il existe des forces extérieures travaillant et non conservatives <math>\,\big(</math>comme des forces de frottement<math>\big)\,</math> s’appliquant à un solide peut difficilement être ignoré d'où l'ajout du théorème sous sa forme la plus générale <math>\;\ldots</math></ref>. : {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}<math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <math>\,K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation «<math>\;\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» }}égale au travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale au travail }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire dans un référentiel galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique }}se déduit aisément de sa forme sur une durée finie soit {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}conservatives <math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}<math>K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> <math>\color{transarent}{K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)}\,</math> l'énergie cinétique }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation élementaire«<math>\;d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t)\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» }}égale au travail élémentaire des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» égale au travail }}appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;d E_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide }}est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée finie ou élémentaire se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>». === Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de la puissance mécanique est la forme locale associée à la forme intégrée <ref name="forme intégrée de forme locale" /> “ théorème de la variation de l'énergie mécanique sur une durée finie ou élémentaire ” ; {{Al|5}}pour obtenir cette forme locale on écrit le théorème de la variation de l’énergie mécanique d’un solide dans le champ des forces extérieures conservatives entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math><ref> C.-à-d. la forme élémentaire du théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un solide.</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on écrit }}«<math>\;dE_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\,</math> dans un référentiel galiléen » puis, <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on divise les deux membres par <math>\,dt\,</math> soit «<math>\;\dfrac{dE_m}{dt} = \dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{dE_m}{dt}\;</math>» est la dérivée temporelle de l’énergie mécanique du solide dans le champ des forces extérieures conservatives définissant <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}la puissance mécanique du solide à l'instant <math>\,t\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives, notée «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» la puissance instantanée développée, à l'instant <math>\,t</math>, par les forces extérieures non conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}appliquées au solide notée «<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on obtient «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» d'où l'énoncé du théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen : {{Théorème|titre=Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide »|contenu = {{Al|5}}La puissance mécanique à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> <math>\big[</math>avec, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie mécanique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{ext}}(t)}\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces }}conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math>» l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique }}est égale à la puissance instantanée développée par les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique est égale à }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> au même instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide à un instant <math>\,t\,</math> quelconque se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}c.-à-d., après intégration, « la conservation de l’énergie mécanique du solide précédemment défini ». === Application au cas d’un solide amorti === {{Al|5}}Parmi les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées à un solide et travaillant, « les plus fréquentes sont dissipatives » <ref> Mais elles peuvent aussi être motrices par exemple, si nous souhaitons que les oscillations d’un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ou d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] perdurent alors qu’existent naturellement des frottements {{Nobr|<math>\,\big(</math>même}} minimes<math>\big)</math>, il est nécessaire de les entretenir à l’aide d’une force extérieure motrice compensant les forces de frottement, cette force motrice étant alors usuellement non conservative tout comme le sont les forces de frottement.</ref> comme les forces de frottement fluide <math>\,\big(</math>ou solide<math>\big)</math> ; {{Al|5}}si les seules forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> travaillant sont des forces de frottement s'exerçant sur un solide en mouvement dans un référentiel galiléen, <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces }}conservatives <ref name="théorème de la puissance mécanique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_la_puissance_mécanique_appliqué_à_un_«_solide_»|théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}s’écrivant «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{frott}}\!(t) < 0\;</math>» dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}l'énergie mécanique de ce solide «<math>\;E_m(t) \searrow\,</math> au sens strict » avec <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}</math> <math>\big(</math>il est qualifié d'« amorti »<math>\big)</math>. ==== Cas particulier du pendule de torsion amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] dont la photographie est dans un « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|paragraphe plus haut dans ce chapitre]] » mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}avec les masselottes remplacées par des ailettes comme présenté dans le schéma de vue de dessus de la « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|remarque du paragraphe précité]] », <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d'un fil et sa conservation en absence de frotemment]] (2^ème exemple) » plus haut dans ce chapitre dans lequel <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> doit être remplacée par <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})</math>.</ref> dans le référentiel <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen, {{Al|5}}aux deux couples extérieurs de torsion conservatifs s'exerçant sur le solide « tige + ailettes » et « dérivant » de l'énergie potentielle de ce dernier dans le champ de torsion des deux fils, à savoir «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) =</math> <math>\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <math>\;\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre du solide <math>\;\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big)\;</math><ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d'un fil et sa conservation en absence de frottement]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, il convient d'ajouter {{Al|5}}le « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Couple_de_frottement_fluide_linéaire_agissant_sur_le_pendule_par_l’intermédiaire_des_ailettes|couple de frottement fluide linéaire agissant sur le pendule par l'intermédiaire des ailettes]] » dont le moment scalaire relativement à l'axe <math>\;\Delta_C\;</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C} = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» établi au chap.<math>7</math> de la leçon « Mécanique 2 (PCSI) » <math>\;\big[H\;</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frottent les ailettes<math>\big]\;</math> montre qu'il est non conservatif <ref name="raison du caractère non conservatif"> En effet pour que ce couple soit conservatif il faudrait que son moment scalaire ne dépende que de <math>\;\theta\;</math> ou soit constant mais en aucun cas dépendant de <math>\;\dot{\theta}</math>.</ref>, la puissance du couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\;t</math>, selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant «<math>\;E_m(t) = K(t) + U_{\text{tors}}\!\left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2\!(t) + \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2}\!(t) - C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d'un fil et sa conservation en absence de frottement]] » plus haut dans ce chapitre en remplaçant « solide + masselottes » par « solide + ailettes ».</ref> à l'instant <math>\;t\;</math> dans le référentiel d'étude <math>\;\mathcal{R}</math>, <math>\;\big[J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;</math> étant le moment d'inertie du solide « tige + ailettes » relativement à l'axe commun <math>\;\Delta_C\;</math> des deux fils <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /><math>\big]\;</math> on en déduit aisément, dans <math>\;\mathcal{R}\;</math> et à l'instant <math>\;t</math>, la puissance mécanique du solide « tige + ailettes » dans le champ de torsion des fils en formant <math>\;\dot{E}_m(t) = \dfrac{d E_m}{dt}(t)\;</math> puis {{Al|5}}l’application du théorème de la puissance mécanique au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> nous conduit à «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» ou «<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» soit encore, {{Al|5}}en explicitant la dérivée temporelle de l’énergie mécanique puis en divisant par «<math>\;\dot{\theta}\!(t)\;</math>», l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon «Mécanique 2 (PCSI)» à savoir <center>«<math>\;J_{\Delta_C}\!\left( \text{tige} + \text{ailettes} \right)\;\ddot{\theta}(t) + H\;\dot{\theta}(t) + 2\;C\;\theta(t) = 2\;C\;\theta_1\;</math>».</center> ==== Cas particulier du pendule pesant à un degré de liberté amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] à un degré de liberté du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre avec des frottements fluides linéaires comme présenté dans la vue de profil de la remarque du paragraphe précité, {{Al|5}}à la force extérieure «<math>\;m\;\vec{g}\;</math>», conservative, s'exerçant sur le P.P.A. <ref name="P.P.A." /> et « dérivant » de l'énergie potentielle de pesanteur de ce dernier, à savoir «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) =</math> <math>m\;g\;\mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos(\theta) \right]\;</math>» <math>\;\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre stable du solide <math>\;\theta_{\text{éq. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P." /><math>\big)\;</math><ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, il convient d'ajouter {{Al|5}}les forces de frottement fluide linéaire dont le moment scalaire relativement à l'axe <math>\;\Delta_O\;</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t) = -H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» a été établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « Mécanique 2 (PCSI) » <math>\;\big[H\;</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du pendule, de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel il frotte<math>\big]\;</math> montre que ces forces de frottement est un système non conservatif <ref name="raison du caractère non conservatif" />, la puissance de ces forces de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\;t</math>, selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right] =</math> <math>\mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t)\;\dot{\theta}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}l'énergie mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> étant «<math>\;E_m(t) = K(t) + U_{\text{pes}}\!\left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> à l'instant <math>\;t\;</math> dans le référentiel d'étude <math>\;\mathcal{R}</math>, <math>\;\big[J_{\Delta_O}\;</math> étant le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> relativement à son axe <math>\;\Delta_O\;</math> de rotation <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /><math>\big]\;</math> on en déduit aisément, dans <math>\;\mathcal{R}\;</math> et à l'instant <math>\;t</math>, la puissance mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en formant <math>\;\dot{E}_m(t) = \dfrac{d E_m}{dt}(t)\;</math> puis {{Al|5}}l’application du théorème de la puissance mécanique au P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> nous conduit à «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right]\;</math>» ou «<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» soit encore, {{Al|5}}en explicitant la dérivée temporelle de l’énergie mécanique puis en divisant par «<math>\;\dot{\theta}\!(t)\;</math>», l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon «Mécanique 2 (PCSI)» à savoir <center>«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) + H\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>».</center> == Notes et références == <references /> {{Bas de page | idfaculté = physique | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie|Approche énergét. du mouv. d'un sol. en rotat. autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels|Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels]] }} kbmfe0rm5myfgtr3tqqt08983aqb1nz 987937 987936 2026-10-31T13:48:48Z Phl7605 31541 /* Cas particulier du pendule de torsion amorti par frottement fluide linéaire */ 987937 wikitext text/x-wiki {{Chapitre | idfaculté = physique | numéro = 12 | niveau = 14 | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie/]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels/]] }} <center>Ce chapitre est traité dans le cadre de la dynamique newtonienne avec ajout de quelques éléments de dynamique relativiste.</center> == Théorème de l'énergie cinétique d’un système de matière, cas d’un solide en rotation autour d’un axe fixe == {{Al|5}}Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}est évidemment à connaître comme forme intégrée de la forme locale <ref name="forme intégrée de forme locale"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Lois_de_la_puissance_et_de_l'énergie_cinétiques#Différence_entre_«_forme_locale_de_la_dynamique_»_et_«_forme_intégrée_associée_à_cette_forme_locale_»|différence entre forme locale de la dynamique et forme intégrée associée à cette forme locale]] » du chap.<math>15</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> « théorème de la puissance <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}cinétique d'un système de matière » laquelle est inscrite explicitement dans le programme <math>\;\ldots</math> === Définition du travail du système des forces extérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque"> Par « système de matière quelconque » il faut entendre « système fermé discret de points matériels ou continu de matière » « déformable ou non ».</ref> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1"> A priori <math>\,N\,</math> pourrait être égal à <math>\,1\,</math> mais ce ne serait plus un système de points matériels mais un simple point matériel.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes"> C.-à-d. l’ensemble des paramètres de position et de vitesse de tous les points à l'instant de définition de l'état, tous ces paramètres permettant d’y décrire le système.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> entre }}l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Expression_du_travail_élémentaire_de_la_force_dont_le_point_d’application_subit_le_vecteur_déplacement_élémentaire_correspondant_à_la_durée_élémentaire_de_développement_de_sa_puissance|expression du travail élémentaire de la force dont le point d'application subit le vecteur déplacement élémentaire correspondant à la durée élémentaire de développement de sa puissance]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - bis"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="infiniment proches"> Instants infiniment proches.</ref>, son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité volumique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance volumique <math>\,\mathcal{P}_{\text{vol},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t)</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité surfacique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance surfacique <math>\,\mathcal{P}_{\text{surf},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) =</math>}} <math>\sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité linéique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance linéique <math>\,\mathcal{P}_{\text{lin},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right] dt\;</math>».</ref>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« chaque point <math>\,\color{transparent}{M_i}\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> entre «<math>\;\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\;</math>» }}son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\,</math> étant aussi tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces extérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces extérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" />. === Définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est également présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2"> Pour l'existence de forces intérieures appliquées à un système, <math>\,N\,</math> doit être évidemment <math>\,\geqslant\,</math> à <math>\,2</math>.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes" /> et l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" /> sachant que <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir }}le système des forces intérieures s'exerçant sur le système discret fermé de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le système des forces intérieures }}est défini comme « l'ensemble des forces <math>\,\vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t)\,</math> que chaque point <math>\,M_j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, exerce sur chaque point <math>\,M_i,\;\;i \neq j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math>» <ref name="système de forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Forces,_principe_des_actions_réciproques#Système_des_forces_intérieures_s’exerçant_sur_un_système_de_points_matériels_fermé|système des forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math> entre les instants <math>\;t\;</math> et <math>\;t + dt\;</math> selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i} \right]\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - ter"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> dans lequel, chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \mu(M')\;d \mathcal{V}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bivolumique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}}{d \mathcal{V}_{M'}\;d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \sigma(M')\;d S_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\;</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bisurfacique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}}{d S_{M'}\;d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \lambda(M')\;d \mathit{l}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\;\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bilinéique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}}{d \mathit{l}_{M'}\;d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace dt\;</math>».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces intérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces intérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière" />. {{Al|5}}<u>Remarque 1</u> : Le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures }}peut aussi être défini à partir de la puissance instantanée développée par les forces intérieures s’exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="définition de la puissance développée par les forces intérieures"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Définition_2|définition]] (de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures peut aussi être défini }}selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - tetra"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : }}le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}s'obtenant en ajoutant tous les travaux élémentaires de <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}peut se calculer à partir de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> peut se calculer }}par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>». {{Al|5}}<u>Remarque 2</u> : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math><ref name="définition du référentiel Rj"> Le référentiel «<math>\;\mathcal{R}_j\;</math>» est le référentiel lié à <math>\,M_j\,</math> en translation par rapport au référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#cite_note-puissance_des_forces_intérieures_s'exerçant_sur_système_continu_de_matière_-_ter-55|⁵⁵]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> dans le référentiel <math>\,\color{transparent}{\mathcal{R}}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}_{\text{int}}(t)}</math> }}<math>= \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Autres_expressions_équivalentes|autres expressions équivalentes]] de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj"> Le point <math>\,M_i\,</math> décrivant dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_j</math> <math>\,\big[</math>lié à <math>\,M_j\,</math> et en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\big]\,</math> une trajectoire particulière <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}\;</math> entre les deux instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t)\big]\,</math> étant tangent à <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}</math>.</ref> ou <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures «}}<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right]\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : }}de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière" />{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" />{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" />. {{Al|5}}<u>Remarque 3</u> : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nulle <ref name="puissance des forces intérieures en général non nulle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (1^ère conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu"> Système discret de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique"> Le système se comporte donc comme un solide au sens de la mécanique.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures nulle pour un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (3^ème conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = 0\;\;\forall\;t\,</math> pour <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = 0\;\;\forall\;\left[ t\,,\,t + dt \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> le devient }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = 0\;\;\forall\;\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> ». === Théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Partant du théorème de la puissance cinétique appliqué, à l'instant <math>\,t</math>, à un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Énoncé|énoncé]] du théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> dans lequel <math>\,\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math> est la puissance cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{ext}}(t)\,</math> la puissance développée par les forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\,</math> celle développée par les forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la même date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on multiplie par <math>\,dt\,</math> pour obtenir la forme élémentaire du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir la forme élémentaire }}entre «<math>\;t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\;</math>» où <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> est la variation élémentaire d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{ext}}\,</math> le travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{int}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur le même <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on intègre entre <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique }}entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec <math>\,\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\,</math> variation d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\,</math> }}sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> le travail des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> le travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> celui des forces intérieures }}sur le même <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>. {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> étant nul quel que soit le mouvement du système » <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Définition_du_travail_du_système_des_forces_intérieures_appliquées_à_un_«_système_de_matière_»_entre_un_état_initial_et_un_état_final|définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un système de matière entre un état initial et un état final]] (remarque 3) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul }}<math>\Rightarrow</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide sous sa forme élémentaire ou <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide }}sur une durée finie : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière en translation » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière"> Système fermé discret fermé de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> en translation » <ref name="système en translation"> Un « système de matière en translation » ne se déformant pas peut aussi être qualifié de « solide » au sens de la mécanique.</ref>, tous les points ont le même vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> égal à celui du C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> <math>\,G\,</math> du système, d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\!G}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <ref name="signification du travail élémentaire développé par les forces extérieures appliquées à un système en translation"> Dans cette 3^ème expression «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» est aussi « le travail élémentaire qui serait développé, sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\,t + dt \right],</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>, par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans <math>\,\mathcal{R}\;</math>» <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», ce dernier s'obtenant par application du théorème du mouvement du C.D.I. <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Principe_fondamental_de_la_dynamique_et_théorème_de_la_résultante_cinétique#Énoncé_du_théorème_(dynamique_newtonienne)|énoncé du théorème (dynamique newtonienne)]] du mouvement du C.D.I. d'un système » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> correspondant aussi à l'application de la r.f.d.n. <math>\,\big(</math>relation fondamentale de la dynamique newtonienne<math>\big)\,</math> au point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>» sur lequel s'exercerait la résultante dynamique<math>\big\}</math>.</ref> dans laquelle «<math>\;\vec{F}_{\text{ext}}(t)\;</math> est la résultante <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}«}}dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» <ref> Voir les paragraphes « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_en_translation_»|cas d'un système de matière en translation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » et « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissancce développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces intérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{int},\,\text{syst. en transl.}} = 0\;</math>» <ref name="système en translation" />{{,}} <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>de la variation élémentaire de l'énergie cinétique du système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en transl.}}\;</math>» avec «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="signification de l'énergie cinétique d'un système en translation"> Dans cette 2^ème expression «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» est aussi « l'énergie cinétique newtonienne du point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans {{Nobr|<math>\,\mathcal{R}\,</math>»}} <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», tous les points du système en translation ayant même vitesse que le C.D.I. <math>\,G\big\}</math>.</ref> l'énergie cinétique <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, dans le cadre de la cinétique newtonienne <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en translation"> Voir le paragraphe « énergie cinétique dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Cas_d'un_système_en_translation|cas d'un système en translation]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique }}appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" />{{, }} <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque dans un référentiel galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> nous obtenons : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un référentiel <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière en translation <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> étant le C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> et <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =}</math> }}la résultante dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\,</math> ou <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste"> Applicable sous cette forme dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste.</ref> avec <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="système fermé de matière" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système en translation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =</math> <math>K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail effectué par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail effectué par la résultante dynamique }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <br>{{Al|208}}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Ce théorème <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais il doit bien sûr être connu <ref> Sans doute ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. car on considère usuellement un système de matière en translation comme un point matériel <math>\,\big(</math>le C.D.I. <math>\,G\,</math> du système<math>\big)\,</math> sur lequel s'exerce la résultante dynamique du système et, selon ce point de vue, le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un système de matière en translation n'est rien d'autre que le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un point matériel, lequel est, quant à lui, au programme <math>\;\ldots</math></ref>. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}<u>Préliminaire</u> : Un « système <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » peut, a priori, se déformer <ref name="système en rotation autour d'un axe"> Par exemple, en se dilatant, c.-à-d. que chaque point du système, en plus de sa rotation autour d'un axe fixe, s'éloigne radialement de cet axe <math>\,\big(</math>la vitesse d'éloignement pouvant être différente d'un point à un autre<math>\big)\,</math> mais dans ce cas il ne s'agit pas d'une rotation « pure » <math>\;\ldots</math> <br>{{Al|3}}Pour maintenir une même vitesse angulaire à un instant <math>\,t\,</math> pour tous les points d'un « système déformable », il faut que le mouvement orthoradial de chacun des points soit corrélé au mouvement radial correspondant, avec absence de mouvement axial, c.-à-d. que, pour deux points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> tels que la droite <math>\,M_iM_j\,</math> recoupe l'axe <math>\,\Delta\,</math> perpendiculairement en <math>\,H_{i,\,j}</math>, <math>\,\big[</math>les points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> ayant donc même abscisse angulaire <math>\,\theta_{i,\,j}(t)\big]\,</math> on ait <math>\,\dot{\theta}_{i,\,j}(t) = \overline{\Omega}(t)</math> <math>\,\big[</math>donc indépendant de <math>\,\left( i\,,\, j \right)\big]\,</math> pour tout instant <math>\,t\,</math> et pour tout couple <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> dont les éléments ont même abscisse angulaire, ces conditions étant très contraignantes sont quasiment jamais réalisées naturellement <math>\;\ldots</math></ref>, toutefois, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Préliminaire : un « système <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>fermé<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » }}il est, en pratique, indéformable et est alors qualifié de « solide » au sens de la mécanique ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Préliminaire : }}l’exposé ci-dessous s'applique à un système discret <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de points matériels ou un système continu <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}<u>Exposé</u> : Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière" /> indéformable, en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe <math>\,\Delta</math>, fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen », <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}tous les points ont le même vecteur rotation instantanée <math>\,\vec{\Omega}(t) = \overline{\Omega}(t)\;\vec{u}_{\Delta}\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\big[\vec{u}_{\Delta}\,</math> étant le vecteur unitaire orientant l'axe de rotation <math>\,\Delta\,</math> et <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\big[}</math>}}autour de cet axe de rotation <math>\,\Delta\big]\,</math> d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe"> Expression ne nécessitant pas que l'axe <math>\,\Delta\,</math> soit fixe, la fixité de l'axe dans un référentiel intervenant quand ce dernier est galiléen et quand on utilise l'un des théorèmes fondamentaux de la dynamique de rotation des systèmes <math>\,\big\{</math>par exemple le théorème de l'énergie cinétique établi dans ce paragraphe mais le traavail élémentaire déveeloppé par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» ne nécessite pas que <math>\,\Delta\,</math> soit fixe<math>\big\}</math>.</ref>{{,}} <ref name="travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur un système en rotation"> Voir le paragraphe « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> {{Nobr|«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)</math>}} <math>= \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;</math>» et le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\delta W\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right] = \mathcal{P}\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right]\;dt\;</math>» puis, en faisant la somme membre à membre de façon à définir le travail élémentaire du sytème des forces extérieures s'exerçant sur le système en rotation «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)\;dt\;</math>».</ref> où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> est le moment <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» ou, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>du travail élémentaire }}avec «<math>\;\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta\;</math>» dans lequel <math>\,\theta(t)\,</math> est l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, la réécriture <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>,«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>de la variation de l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}}\;</math>» avec, l'énergie cinétique, à l'instant <math>\,t</math>, de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le cadre de la cinétique newtonienne «<math>\;K_{\text{syst. en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en rotation autour d'un axe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d’un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d’un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> avec «<math>\;J_\Delta\,</math> le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}relativement à <math>\,\Delta\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe"> Voir la notion de moment d'inertie d'un système discret ou continu dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Application_à_un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe#Application_au_cas_d'un_«_système_fermé_de_matière_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe_«_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|application d'un système fermé de matière en rotation autour d'un axe Δ fixe quelconque dans un référentiel d'étuide galiléen]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> d'où, en cinétique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> appliqué à un solide <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_solide_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d'un système }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> avec «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» et «<math>\;\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <math>\,\overline{\Omega}(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}<math>= \dot{\theta}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> encore égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>avec <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> et <math>\,\theta(t)\,</math> l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" />, sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail du moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail du }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[\theta(t)\,</math> étant l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation est égale au travail du «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[\theta}\,</math> étant l'abscisse angulaire }}à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> étant le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = 2\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)}\;</math>» <math>\,\big[</math>}}<math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] <math>\,\big(</math>photographié ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_(non_amorti)|mise en équation différentielle du mouvement du pendule de torsion (non amorti)]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Théorème_de_la_puissance_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_autour_d'un_axe_Δ_fixe_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe dans un référentiel d'étude galiléen]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. {{Al|5}}Ci-contre le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec deux fils de torsion identiques de même constante de torsion «<math>\;C\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec }}positions de masselottes identiques <math>\,\big(</math>sauf pour la couleur<math>\big)\,</math> de part et d'autre du point <math>\,C\,</math><ref name="distinction entre point d'attache des fils sur la tige et constante de torsion des fils"> On accepte la même notation pour le point d'attache des deux fils sur la tige et la constante de torsion de ces derniers tant qu'il n'y a pas d'ambiguïté <math>\,\big(</math>ce qui ne devrait jamais arriver compte-tenu du fait que ces deux grandeurs sont de nature différente<math>\big)</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec positions de masselottes identiques }}<math>\,\big(C\,</math> point d’attache des deux fils de torsion sur la tige<math>\big)</math> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre <math>\,\big(</math>en absence de masselottes<math>\big)\,</math> diffère du « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] » de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici l'extrémité supérieure <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil de torsion supérieur est mobile au lieu d'être fixe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur étant dans les deux fixe et <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici la torsion initiale est fournie par rotation propre de <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> d'un angle «<math>\;2\,\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>repéré sur le cercle gradué lié à <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}</math>, position de référence du cercle gradué<math>\big)\,</math> <math>\Rightarrow</math> en pratique, après quelques oscillations, la tige <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}acquiert la position d'équilibre repérée par l'angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>voir vérification ci-dessous<math>\big)\,</math> alors que <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] la torsion initiale est fournie par rotation de la tige d'un angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>également repéré <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>dans le pendule du chap.7 }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}\big)</math>, la position d'équilibre de la tige étant repérée par l'angle nul ; {{Al|5}}<u>vérification de la position d'équilibre de la tige dans le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}orientant les deux fils de torsion du bas vers le haut, quand la tige acquiert la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion supérieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche"> Une hélice est « droite » si le point tourne sur la gauche <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique direct ou encore dans le sens antihoraire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée et <br>{{Al|31}}elle est « gauche » si le point tourne sur la droite <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique indirect ou encore dans le sens horaire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée <br>{{Al|3}}<math>\,\big[</math>revoir aussi la distinction « hélices gauche ou droite » dans le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Mouvement_de_particules_chargées_dans_des_champs_électrique_et_magnétique_:_Cas_particulier_d'un_champ_magnétostatique_uniforme#Nature_hélicoïdale_uniforme_du_mouvement_de_la_particule|nature hélicoïdale uniforme du mouvement de la particule]] » du chap.<math>24</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> d'un angle «<math>\;\theta_1 - 2\;\theta_1 = -\theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil"> L'angle de torsion du fil qui intervient dans le vecteur moment du couple de torsion est l'angle que fait l'extrémité mobile relativement à l'extrémité maintenue fixe même si cette extrémité est fixée avec torsion initiale comme c'est le cas pour le fil supérieur <math>\,\big\{</math>on peut vérifier que cette définition correspond bien au schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » car {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{A_0B_0}\;</math>»}} est lié à l'extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil supérieur et «<math>\;\overrightarrow{AB}\;</math>» à l’extrémité mobile <math>\,C\,</math> et il en est de même pour l'éventuel fil de torsion inférieur<math>\big\}</math>.</ref> par rapport à son extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion supérieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} = -C \left( -\theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion inférieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche" /> d’un angle «<math>\;\theta_1 - 0 = \theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil" /> par rapport à l’extrémité <math>\;O_{\text{inf}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion inférieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = -C \left( \theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = -C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur la tige vérifiant «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} + \vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = \vec{0}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur }}la tige est effectivement en équilibre dans cette position <math>\;\ldots</math> {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <math>\,\big\{</math>ensemble solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC"> L'axe <math>\,\Delta_C\,</math> est le support des fils de torsion.</ref> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemb}}le solide étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles"> Repérée par rapport à la position de l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemble solide étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des masselottes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des masselottes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des masselottes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur"> L'angle de torsion du fil supérieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 2\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation"> Il s'agit de l'application de la puissance instantanée développée par un système de forces extérieures sur un solide en rotation autour d'un axe fixe <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d'un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> quand le système de forces extérieures est équivalent à un couple <math>\,\big[</math>c.-à-d. un système dont la résultante est nulle et dont le moment résultant scalaire relativement à l'axe de rotation définit le moment scalaire du couple<math>\big]</math>.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur"> L'angle de torsion du fil inférieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 0 = \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cin%C3%A9tique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d'un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;</math> est le moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et masselottes » en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_C\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre"> Ce qui suppose que <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> est non identiquement nulle <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\theta(t)\,</math> n'est pas une constante c.-à-d. que le solide n'est pas à sa position d'équilibre.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à droite «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta_1\;</math>», équation différentielle linéaire <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants sans terme du 1^er ordre hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_non_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition non énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] », la présence d'un 2^nd membre constant signifiant que le paramètre caractérisant l'oscillateur dans l'espace n'est pas nul à l'équilibre.</ref> de rotation ; {{Al|5}}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Conséquence_«_le_pendule_de_torsion_(non_amorti)_est_un_oscillateur_harmonique_non_amorti_de_rotation_»|conséquence : le pendule de torsion (non amorti) est un oscillateur harmonique non amorti de rotation]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » ; [[File:Pendule de torsion amorti - vue de dessus.png|thumb|300px|Vue de dessus d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti par substitution d'ailettes planes aux masselottes fixées sur la tige <math>\,\big(</math>les fils de torsion supérieur et inférieur <math>\,\perp\,</math> au plan de la figure ne peuvent y être représentés<math>\big)</math>]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> du }}<math>\big(</math>voir vue de dessus partielle représentée ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre étant écarté initialement comme celui de début de paragraphe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, le pendule ci-contre étant écarté initialement }}la tige acquiert donc une position d'équilibre repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}l'ensemble « tige et ailettes » étant un solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC" /> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant }}le solide est, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant le solide est, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}les actions extérieures sont <math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des ailettes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{ailettte}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des ailettes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des ailettes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{ailette}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu dans lequel se déplace le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] exercent sur les ailettes, modélisées par un <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> }}couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion"> voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Couple_de_frottement_fluide_linéaire_agissant_sur_le_pendule_par_l’intermédiaire_des_ailettes|couple de frottement fluide linéaire agissant sur le pendule par l'intermédiaire des ailettes]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple }}<math>\big[H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}et du fluide sur lequel frottent les ailettes<math>\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide la puissance instantanée }}selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\,</math> est le moment d'inertie du solide « tige + ailettes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et ailettes » en rotation autour de <math>\,\Delta_C\,</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t) - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t) - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1 - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étudié «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta_1\;</math>», équation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}différentielle linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique" /> de rotation ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Loi_horaire_de_position_angulaire_du_pendule_de_torsion_amorti|loi horaire de position angulaire du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ». == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule pesant non amorti à un degré de liberté - forces extérieures.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté <math>\,\big(</math>schématisé ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_non_amorti_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_du_moment_cinétique_scalaire|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant non amorti (à un degré de liberté) par application du théorème du moment cinétique scalaire]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />. {{Al|5}}Ci-contre schéma de face du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] idéale <ref name="liaison idéale"> C.-à-d. dans laquelle on peut négliger les frottements solides.</ref> du solide en rotation autour de l’axe horizontal <math>\,\Delta_O\;</math><ref name="liaison pivot du pendule"> Pour plus de détails voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Présentation_du_pendule_pesant_(non_amorti)_«_P.P.(N.A.)_»|présentation du pendule pesant (non amorti) P.P.(N.A.)]] (liaison pivot avec le point O) » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Non Amorti.</ref> à un degré de liberté ayant un mouvement de rotation imposé par la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] du solide avec l'axe <math>\,\Delta_O</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté }}son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,O</math>, d'axe <math>\,\Delta_O\,</math> orienté par le vecteur unitaire «<math>\;\vec{u}_{\Delta_O}\;</math>» et <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,\color{transparent}{O}</math>, }}de rayon «<math>\;\mathfrak{a}\;</math>» avec, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. }}<math>G\,</math> repéré par son abscisse angulaire «<math>\;\theta_G(t) = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\overrightarrow{OG}(t) \right\rbrace} = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\vec{u}_r(t) \right\rbrace}\;</math>» <ref name="noté theta"> Noté «<math>\;\theta(t)\;</math>» par la suite en absence d'ambiguïté.</ref> ; {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = \left[ \overrightarrow{OG}(t) \wedge m\;\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_O} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids"> Le moment vectoriel du poids par rapport à <math>\,O\,</math> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)\;</math>» a établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_liaison_sphérique_et_avec_les_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b),_établissement_de_la_nature_plane_du_mouvement_du_C.D.I._G_du_P.P.(N.A.)|dans le cas d'une liaison sphérique et avec les C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), établissement de la nature plane du mouvement du C.D.I. G du P.P.(N.A.)]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] », soit «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\varphi_G}(t)\;</math>» avec <math>\,\vec{u}_{\varphi_G}\,</math> s'identifiant à <math>\,\vec{u}_{\Delta_O}</math>. <br>{{Al|3}}On pouvait aussi déterminer directement le moment scalaire du poids, le schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_«_liaison_pivot_»_ou_d’une_«_liaison_sphérique_avec_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b)_»,_nouveau_repérage_adapté_à_la_nature_rotatoire_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_à_un_degré_de_liberté|dans le cas d'une liaison pivot ou d'une liaison sphérique avec C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), nouveau repérage adapté à la nature rotatoire du mouvement du P.P.(N.A.) à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » étant fait avec le paramètre de position angulaire <math>\,\theta > 0</math>, on observe que le poids tend à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,-\,</math> avec un bras de levier <math>\,\big(</math>distance orthogonale séparant l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du support de <math>\,m\;\vec{g}\big)\,</math> égal à <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où, dans le cas où <math>\,\theta\,</math> est <math>\,> 0</math>, {{Nobr|«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)</math>}} <math>= - \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>» <math>\,\Big\{</math>le résultat est indépendant du signe de <math>\,\theta\,</math> mais si le schéma était fait avec <math>\,\theta < 0</math>, on observerait que le poids tendrait à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,+\,</math> avec un bras de levier <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = + \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = m\;g\;\left[ -\mathfrak{a}\; \sin(\theta) \right] = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>», soit effectivement le même résultat <math>\,\big[</math>avec toutefois une possibilité d'erreur si on oubliait que <math>\,\theta < 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert = -\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\big]\Big\}</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_particulier_où_M_est_en_mouvement_circulaire_d'axe_Δ_et_de_vitesse_angulaire_instantanée_Ω(t)|cas particulier où M est en mouvement circulaire d'axe Δ et de vitesse angulaire instantanée Ω(t)]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> de la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I."> Conditions Initiales.</ref> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O"> On a établi dans la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#cite_note-réduction_à_deux_composantes_de_la_réaction_dans_ces_C.I.-18|¹⁸]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » que la réaction du point <math>\,O\,</math> dans l'hypothèse d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] sur le pendule lancé dans les C.I. <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\,</math> ou <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\,</math> s'écrirait <math>\,\vec{R}(t) =</math> <math>R_{\rho_G}(t)\;\vec{u}_{\rho_G}(t) + R_z(t)\;\vec{u}_z</math>, c.-à-d. que la réaction serait dans le plan vertical de lancement soit encore «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» ; <br>{{Al|3}}on établit de même <math>\,\big[</math>sans que cela ait été exposé dans le chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> que la réaction de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le pendule quels que soient les C.I. de lancement compatibles avec la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] s'écrit «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>».</ref> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul"> En effet la force étant <math>\,\perp\,</math> à l'axe par rapport auquel son moment scalaire est évalué est de bras de levier nul.</ref> auquel s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe"> Le couple étant de moment vectoriel <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta_O</math>.</ref> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée à la date <math>\,t\,</math> par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée développée à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|7}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}sans terme du 1^er ordre ; {{Al|5}}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique"> On appelle « [[w:Solution_de_forme_fermée|solution analytique]] » d'une équation différentielle, une expression mathématique <math>\,\big(</math>souvent dite « formule explicite »<math>\big)\,</math> pouvant s'obtenir par une combinaison d'opérations et de [[w:Fonction_de_référence|fonctions de référence]] <math>\,\big(</math>c.-à-d. fonctions affines, puissances, trigonométriques et exponentielles ainsi que leurs fonctions inverses sur un domaine de définition restreint pour lequel il y a bijection et même certaines solutions d'équations différentielles dites de référence<math>\big)</math>, les opérations étant l'addition, la soustraction, la multiplication, la division et l'extraction de racines.</ref> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’élongations_angulaires_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'élongations angulaires non petites]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il est nécessaire de procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="solution analytique dans le cas d'élongations petites"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Cas_particulier_des_«_petites_élongations_angulaires_»,_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_=_oscillateur_harmonique_(non_amorti)_approché_de_rotation,_période_des_«_petites_oscillations_»|cas particulier des petites élongations angulaires, pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) oscillateur harmonique (non amorti) approché de rotation, période des petites oscillations]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. [[File:Pendule pesant amorti à un degré de liberté - forces extérieures - bis.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures, <math>\,I\,</math> étant le point où la résultante des forces de frottement fluide peut être appliquée]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti <math>\,\big(</math>voir coupe partielle représentée ci-contre<math>\big)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire" /> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I." /> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O" /> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul" /> où s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe" /> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu où se déplace le [[w:Pendule_pesant|pendule]] exercent sur ce dernier, modélisées par <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}un couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_O}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti" />{{,}} <ref name="définition de H"> <math>\,H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]], de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frotte le solide.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Amorti.</ref> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0 - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right] - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_O}}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}avec terme linéaire du 1^er ordre ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique" /> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’amplitudes_initiales_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'amplitudes initiales non petites]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il faut procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique - bis"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » nécessitant néanmoins d'ajouter le terme d'amortissement <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A." />. == « En complément », caractère conservatif du couple de torsion, énergie potentielle de torsion et conservation de l’énergie mécanique du pendule de torsion (non amorti) dans le champ de torsion du fil == {{Al|5}}Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » ne sont pas explicités dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » }}il me semble souhaitable de le retenir <math>\,\big(</math>et bien sûr d’être capable de le retrouver<math>\big)</math>. === Caractère conservatif du couple de torsion === {{Al|5}}Le travail élémentaire d’un couple de torsion s’exerçant sur un solide, de vecteur moment «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t) = -C\;\alpha(t)\;\vec{u}_\Delta\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Expression_du_vecteur_moment_du_couple_de_torsion_exercé_par_le_fil_en_fonction_de_l'angle_de_torsion_«_α(t)_»,_notion_de_constante_de_torsion_«_C_»_du_fil_de_torsion|expression du vecteur moment du couple de torsion exercé par le fil de torsion α(t), notion de constante de torsion C du fil de torsion]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> lors d’une torsion élémentaire «<math>\;d \alpha\;</math>» <ref name="définition de Delta et alpha sur le fil de torsion"> <math>\,\Delta\,</math> étant la direction du fil de torsion orienté par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et «<math>\;\alpha\;</math>» l'angle de torsion algébrisé, défini au niveau de la liaison au solide dans le plan <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta\,</math> et orienté par <math>\,\vec{u}_\Delta</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion }}étant défini selon «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>», <math>\,\big[\overline{\Omega}(t)\,</math> étant la vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt}\;</math>», <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \alpha\;</math>»<math>\big]\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> soit finalement <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon }}«<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -C\;\alpha\; d \alpha\;</math>» correspondant à une différentielle de fonction <math>\Rightarrow</math> le <u>caractère conservatif du couple de torsion</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple"> Pour montrer qu’une force est conservative, on évalue son travail élémentaire en prenant un vecteur déplacement élémentaire quelconque <math>\,\overrightarrow{dM}\,</math> à partir du point d'application <math>\,M\,</math> de la force <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#2ème_définition_(équivalente)_d'une_force_«_conservative_»|2^ème définition (équivalente) d'une force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> ; <br>{{Al|3}}lorsqu'il s’agit d'un couple de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, il faut évaluer son travail élémentaire en envisageant une rotation élémentaire quelconque autour de n'importe quelle direction, le couple est alors conservatif si ce travail élémentaire est une différentielle de fonction mais <br>{{Al|3}}{{Transparent|lorsqu'il s'agit d'un couple }}dans le cas d’un couple de torsion de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, la seule direction autour de laquelle peut s’effectuer une rotation élémentaire est celle du fil c.-à-d. celle de <math>\,\vec{\Gamma}\,</math> et par suite la seule condition pour que le couple de torsion soit conservatif est que son travail élémentaire en considérant une rotation élémentaire autour de la direction du fil de torsion soit une différentielle de fonction ou encore que « le moment scalaire du couple de torsion par rapport au fil ne dépende que de l'angle de torsion <math>\,\alpha\;</math>» C.Q.E.R. <math>\,\big(</math>Ce Qui Est Réalisé<math>\big)</math>.</ref>. === Énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion === {{Al|5}}L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,U_{\text{tors}}\,</math> dont « dérive » le couple de torsion de vecteur moment <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}est définie par «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#1ère_définition_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|1^ère définition de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> c.-à-d. «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(\alpha)\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\,</math> ou <math>\,-C\;\alpha\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <math>\Leftrightarrow</math> «<math>\;\dfrac{dU_{\text{tors}}}{d \alpha} = C\;\alpha\;</math>» soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}en intégrant «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2 + cste\;</math>» ; choisissant la référence de l’énergie potentielle de torsion <math>\;U_{\text{tors}}(\alpha)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle"> C.-à-d. l'endroit où l'énergie potentielle est choisie nulle.</ref> <br>{{Al|7}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> en intégrant «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\alpha) = 2\; C\;\alpha^2 + cste}\;</math>» ; choisissant la référence }}quand le fil n’est pas tordu c.-à-d. <math>\,U_{\text{tors}}(0) = 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = 0</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}l'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d’un fil et sa conservation en absence de frottement === [[File:Pendule de torsion sans masselottes - actions exercées.png|thumb|500px|Schéma d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] représenté sans masselottes additives et avec fil inférieur sans torsion avec ajout des actions exercées sur la tige à l'instant <math>\;t</math>]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec un seul fil de torsion, l'autre fil étant sans torsion <math>\,\big(</math>voir schéma ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec un seul fil de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}la seule action extérieure de moment scalaire non nul par rapport à la direction <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}commune du fil de torsion et du fil sans torsion <math>\;\big(</math>orientée par le vecteur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> étant le couple « conservatif » de torsion <ref name="conservativité du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Caractère_conservatif_du_couple_de_torsion|caractère conservatif du couple de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}moment vectoriel «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}} = -C\;\alpha\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion /> auquel on associe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie potentielle de torsion du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre valant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;U_{\text{tors}}(t) =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion énergie potentielle de torsion }}<math>\,\dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_torsion_du_solide_relié_au_fil_de_torsion|énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}son énergie cinétique à la date <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{pend. tors.}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique }}<math>J_{CO_{\text{sup}}}\,</math> est le moment d'inertie du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] relativement à la <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique <math>\color{transparent}{J_{CO_{\text{sup}}}}\,</math> est }}direction du fil de torsion et du fil sans torsion <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à l'instant <math>\,t\,</math> selon «<math>\;E_m(t) = K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Propriétés_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|propriétés de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] (2^ème propriété) » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha_0 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\alpha(0) = \alpha_0\;</math> et <math>\,\dot{\alpha}(0) = 0\;</math>». [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]]]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige <math>\,\big(</math>voir photographie ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec deux fils de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}il y a deux actions extérieures s'exerçant sur le solide « tige + masselottes » de moment scalaire non nul par rapport à <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}la direction commune <math>\,\Delta_C\,</math> des deux fils de torsion <math>\,\big(</math>orientée par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}élémentaire du solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}prouve le <u>caractère conservatif du couple de torsion du fil supérieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}supérieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = -d U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta = -d U_{\text{tors. sup.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. sup.}}}{d \theta} = C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\,</math> qui s'intègre en <math>\,U_{\text{tors. sup.}}</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,= \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> et, en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. sup.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du solide à l'équilibre » c.-à-d. <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre"> Revoir l'explication rappelée dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans le chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil supérieur du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta_1 - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_1 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion"> Symboliquement l'énergie potentielle d'un solide dans le champ de torsion d'un fil de torsion s'obtient, à une constante additive près, par la moitié du produit de la constante de torsion du fil et du carré de l'angle de torsion, à l'instant <math>\;t</math>, du fil au point d'attache du solide.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation élémentaire du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\; \theta(t)\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et prouve le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<u>caractère conservatif du couple de torsion du fil inférieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}inférieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = -d U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\;\theta\;d \theta = -d U_{\text{tors. inf.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. inf.}}}{d \theta} = C\; \theta\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{tors. inf.}} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} + cste_2\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. inf.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position du solide à l'équilibre » c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil inférieur du solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2} + cste_2 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_2 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}finalement l'énergie potentielle globale de torsion du solide « tige + masselottes » <math>\,\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale }}s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = U_{\text{tors. sup.}}(\theta) + U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» ou, en simplifiant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale s'écrit }}«<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2\;</math>» <ref> En effet <math>\,\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + 2\;C\; \theta_1^{\,2} + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + C\; \theta_1^{\,2} = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2</math>.</ref>{{,}} <ref> Cette énergie potentielle de torsion du solide « tige + masselottes » est la même que celle que l'on obtiendrait avec un seul fil de torsion de constante de torsion <math>\,2\,C</math>, l'autre fil étant sans torsion avec la référence en la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>.</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule ci-dessus étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «<math>\;\color{transparent}{K_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#%Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torion par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique de l'ensemble tige + masselottes) » plus haut dans ce chapitre.</ref> avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule }}<math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion des deux fils définie, à l'instant <math>\,t\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie mécanique }}«<math>\;E_m(t) = K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}\! \left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\alpha\;</math>» dans le 1^er exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] ou <br>{{Al|57}}celui «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta - \theta_1 \right]^2 \,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du 2^ème exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|même]] paragraphe <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}étant parabolique, nous retrouvons la <u>2^ème définition d’un oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math>de rotation<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_(équivalente)_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition (équivalente) énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. <br>{{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> de son mouvement dans le 2^ème exemple du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}«<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2 = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>», <br>{{Al|58}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}les C.I. <ref name="C.I." /> étant «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}est donc une <u>ellipse décrite dans le sens horaire</u> <ref name="portrait de phase d'un socillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Tracé_du_portrait_de_phase_de_la_charge_du_condensateur_d'un_«_R_L_C_série_»_soumis_à_un_échelon_de_tension_suivant_le_cœfficient_d'amortissement|propriétés des portraits de phase de la charge du condensateur d'un RLC série soumis à un échelon de tension suivant le cœfficient d'amortissement]] (cas d'un circuit oscillant non amorti en vert) » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. == Conservation de l’énergie mécanique du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) dans le champ de pesanteur uniforme == === Énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant === {{Al|5}}Dans le cas d'un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref><math>\big)</math>, le poids du solide étant la seule action extérieure travaillant et ce dernier étant conservatif <ref name="poids d'un objet conservatif"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Établissement_du_caractère_«_conservatif_»_du_poids_d'un_point_matériel_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|établissement du caractère conservatif du poids d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, }}on lui associe l'énergie potentielle de pesanteur «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta)\;</math>» <ref name="énergie potentielle de pesanteur"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#«_Énergie_potentielle_de_pesanteur_d'un_point_matériel_»_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|énergie potentielle de pesanteur d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> déterminée en intégrant «<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = -dU_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> avec <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)\,</math> travail élémentaire du poids lors d'une rotation élémentaire d'angle <math>\,d \theta = \dot{\theta}(t)\;dt\,</math> autour de <math>\,\Delta_O\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe «<math>\;\color{transparent}{\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)}\,</math>}}<math>= \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;dt = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)\;dt = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;d \theta\;</math>» <ref name="travail élémentaire du poids du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (actions extérieures exercées sur le solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> d'où <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}<math>\,-dU_{\text{pes}} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\;d \theta\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{pes}}}{d \theta}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\,</math> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right) + cste\;</math>» <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}soit, en choisissant comme référence de l'énergie potentielle <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> « la position <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}d'équilibre stable de ce dernier <ref name="équilibre stable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessous de ce dernier.</ref> <math>\,\theta_{\text{éq. stable}} = 0\;</math>» d'où <math>\,U_{\text{pes}}(0) = 0\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}<math>\Rightarrow</math> <math>\,0 = -m\;g\;\mathfrak{a} + cste\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = m\;g\;\mathfrak{a}\,</math> d'où l'expression de <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}l'énergie potentielle de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> se réécrit selon <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta \right) \right]\;</math>» <ref> Pour trouver l'expression de l'énergie potentielle de pesanteur on peut aussi utiliser <math>\,\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = m\;g\;dz_G = -dU_{\text{pes}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{pes}} = -m\;g\;z_G + cste\,</math> sachant que <math>\,z_G = \mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right)\,</math> avec pour position d'équilibre stable <math>\,z_{G,\,\text{éq. stable}} = \mathfrak{a}</math> <math>\;\ldots</math></ref> <math>\,\big(</math>référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : la position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement === {{Al|5}}Considérant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A." /><math>\big)</math>, l'énergie potentielle de pesanteur étant «<math>\;U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right] = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\,</math> avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> <math>\,\theta_{\text{équi. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P."/> » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> et <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie cinétique du solide constituant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique du solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> dans laquelle <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie cinétique}}«<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du solide par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie mécanique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> dans le champ de pesanteur «<math>\;E_m\!(t) = K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) + U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right]</math> <br>{{Al|23}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie mécanique du P.P.N.A. dans le champ de pesanteur «<math>\;\color{transparent}{E_m\!(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{P.P.N.A.}}(t) + U_{\text{pes}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P..P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\,\left[ 1 - \cos(\theta) \right]\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}n'étant pas parabolique <math>\,\big(</math>mais sinusoïdal<math>\big)</math>, nous pouvons affirmer que <u>le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> n'est pas un oscillateur harmonique</u> <math>\,\big(</math>quand il est en situation d'osciller<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <math>\blacktriangleright\;</math>« oscillatoire pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'énergie mécanique initiale du P.P.N.A. vaut «<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^2 + m\;g\; \mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta_0 \right) \right]\;</math>».</ref> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. est }}<math>\blacktriangleright\;</math>« révolutive pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="étude du mouvement d'un P.P.N.A. par diagramme d'énergies"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Étude_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_dans_le_cas_général_des_élongations_angulaires_non_petites_par_diagramme_énergétique|étude du mouvement du P.P.(N.A.) dans le cas général des élongations angulaires non petites par diagramme énergétique]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}de démontrer, avec utilisation simultanée de l'intégrale 1^ère énergétique <ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'intégrale 1^ère énergétique du P.P.N.A. s'écrit «<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^{\,2} + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet de démontrer, }}la nature « périodique <math>\,\big(</math>oscillatoire ou révolutive<math>\big)\;</math>» ainsi que <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}d’établir l’expression de la période sous forme intégrale <math>\ldots</math> {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Les [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d’un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ayant pour équation implicite l’intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\;</math><ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" /> de son mouvement lequel dépend de la valeur de l'énergie mécanique initiale <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />, <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. }}diffèrent suivant <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="différents portraits de phase d'un P.P.N.A."> Voir les paragraphes « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Tracé_des_portraits_de_phase_dans_le_cas_général_«_d'oscillations_ou_de_mouvement_révolutif_»_d'un_P.P.S._lancé_dans_les_C.I._«_1b_U_1a_»|tracé des portraits de phase dans le cas général d'oscillations ou de mouvement révolutif d'un P.P.S. lancé dans les C.I. 1b U 1a]] » du chap.<math>12</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\,\big(</math>l'allure des [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti étant la même que ceux d'un [[w:Pendule_simple|pendule simple]] non amorti<math>\big)\,</math> et « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Différents_portraits_de_phase_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté),_«_bifurcation_»_entre_mouvement_«_pendulaire_»_et_révolutif|différents portraits de phase du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté), bifurcation entre mouvement pendulaire et révolutif]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>pendulaire</u> <ref name="pendulaire"> Adjectif synonyme d'« oscillatoire ».</ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>fermé</u>, décrit dans le « <u>sens horaire</u> » <ref name="justification du sens horaire"> Ou « trigonométrique indirect », en effet « quand <math>\,\dot{\theta}\,</math> est <math>\,> 0</math>, <math>\,\theta \nearrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \nearrow\,</math> puis <math>\,\searrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule » ensuite «<math>\;\dot{\theta}\,</math> est <math>\,< 0</math>, correspondant à <math>\,\theta \searrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \searrow\,</math> puis <math>\,\nearrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule de nouveau » <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}avec le point «<math>\;\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)\;</math>» comme « <u>centre de </u>{{Nobr|<u>symétrie</u> » <ref name="justification du centre de symétrie"> Invariance de l’équation en changeant «<math>\;\theta\,</math> en <math>\,-\theta\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des vitesses angulaires <math>\,\big(</math>en fait antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>» et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Invariance de l’équation }}en changeant «<math>\;\dot{\theta}\,</math> en <math>\,-\dot{\theta}\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des abscisses angulaires <math>\,\big(</math>là encore c'est une antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|3}}l’association des deux symétries axiales <math>\,\big(</math>ou plutôt des deux antisymétries axiales<math>\big)\,</math> donnant un centre de symétrie pour l'intersection des deux axes <math>\,\big[</math>le point d'intersection des deux axes étant réellement une symétrie centrale <math>\,\big(</math>et non une antisymétrie centrale<math>\big)</math>.</ref>}} <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, avec le point «<math>\;\color{transparent}{\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)}\;</math>» }}correspondant à la position d’équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /> du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ; <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> }}<math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>révolutif</u>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>ouvert</u>, constitué de la <u>répétition du motif de l'intervalle</u><math>\;\left] -\pi\, , \, \pi \right]</math>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase }}répété <math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \nearrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} > 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 > 0\;</math>» ou <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase répété }}<math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \searrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} < 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 < 0\;</math>», <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)\;</math>» et celui avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,-\dot{\theta}_0 > 0 \right)\;</math>» <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, le portrait de phase avec C.I. «<math>\;\color{transparent}{\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)}\;</math>» }}étant <u>antisymétriques</u> l'un de l'autre, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>maxima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre stable</u> <ref name="équilibre stable du P.P." /> «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres stables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» ;<br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}\;</math>»<math>\big)\;</math> alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big)</math>.</ref> et <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>minima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre instable</u> <ref name="équilibre instable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessus de ce dernier.</ref> «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;</math> <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, les minima de<math>\;\color{transparent}{\vert \dot{\theta} \vert}\;</math>obtenus pour les positions d’équilibre instable «<math>\;\color{transparent}{\theta_{\text{éq. inst.}} =}</math> }}<math>\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres instables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = -\left( 2\;p' + 1 \right)\, \pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big[</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big]\;</math>.</ref>. == « Généralisation » à tout « solide » : « théorème de la variation de l’énergie mécanique » et la forme locale associée « le théorème de la puissance mécanique », application au cas d’un solide amorti == {{Al|5}}Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à la généralisation à tout système de points matériels ou continu de matière « indéformable » <ref name="solide au sens de la mécanique" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à }}la généralisation aux systèmes de points matériels ou continus de matière « déformables » sera faite dans le chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Lois_de_l'énergie_cinétique_pour_un_système_déformable_de_points_matériels#«_En_complément_»,_théorème_de_la_variation_de_l’énergie_mécanique_appliqué_à_un_système_de_matière_déformable_dans_le_champ_des_forces_extérieures_et_intérieures_conservatives_et_sa_forme_locale_«_le_théorème_de_la_puissance_mécanique_»|en complément : théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un système de matière déformable dans le champ des forces extérieures et intérieures conservatives et sa forme locale le théorème de la puissance mécanique]] » du chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. === Théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s’écrivant «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\bullet\;</math>celles qui sont conservatives <math>\,\big(</math>lesquelles « dérivent » d’une énergie potentielle<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{ransparent}{\bullet}\;</math>}}dont le travail pendant cette durée finie est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées }}<math>\bullet\;</math>celles qui sont non conservatives <ref name="non conservatives"> Ou, si elles sont conservatives, dont on ne considère pas le caractère « conservatif ».</ref> dont le travail pendant cette durée finie <br>{{Al|12}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>celles qui sont non conservatives dont }}est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}d'où «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou, avec «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, }}<math>\big(U_{\text{ext}}\,</math> étant l'énergie potentielle dont dérivent les forces conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, <math>\color{ransparent}{\big(}</math>}}définie à une constante additive près précisée par choix de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}<math>\Rightarrow</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» d’où la réécriture du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « solide <math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\left( \mathcal{S} \right)} + U_{\text{ext}} \right] = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» où on reconnaît dans le 1^er membre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}la variation de l’énergie mécanique «<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t) + U_{\text{ext}}\!(t)\;</math>» du solide «<math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le champ des forces conservatives sur la durée <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> dans le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où dans le champ des forces conservatives }}référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen d'où, finalement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}le lien entre la variation de l'énergie mécanique du « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;\Delta E_m = E_{m,\,\mathcal{F}} - E_{m,\,\mathcal{I}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» le lien }}le travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> sur cette même durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}«<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» applicable à un solide dans un référentiel d’étude galiléen, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}l'énoncé du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie dans un référentiel galiléen <ref> Ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. sous la forme où il existe des forces extérieures non conservatives dissipatives mais, comme le cas où toutes les forces extérieures travaillant sont conservatives est clairement explicité <math>\,\big(</math>sous la forme de la conservation de l’énergie mécanique du solide<math>\big)</math>, le cas où il existe des forces extérieures travaillant et non conservatives <math>\,\big(</math>comme des forces de frottement<math>\big)\,</math> s’appliquant à un solide peut difficilement être ignoré d'où l'ajout du théorème sous sa forme la plus générale <math>\;\ldots</math></ref>. : {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}<math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <math>\,K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation «<math>\;\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» }}égale au travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale au travail }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire dans un référentiel galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique }}se déduit aisément de sa forme sur une durée finie soit {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}conservatives <math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}<math>K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> <math>\color{transarent}{K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)}\,</math> l'énergie cinétique }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation élementaire«<math>\;d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t)\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» }}égale au travail élémentaire des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» égale au travail }}appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;d E_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide }}est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée finie ou élémentaire se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>». === Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de la puissance mécanique est la forme locale associée à la forme intégrée <ref name="forme intégrée de forme locale" /> “ théorème de la variation de l'énergie mécanique sur une durée finie ou élémentaire ” ; {{Al|5}}pour obtenir cette forme locale on écrit le théorème de la variation de l’énergie mécanique d’un solide dans le champ des forces extérieures conservatives entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math><ref> C.-à-d. la forme élémentaire du théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un solide.</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on écrit }}«<math>\;dE_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\,</math> dans un référentiel galiléen » puis, <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on divise les deux membres par <math>\,dt\,</math> soit «<math>\;\dfrac{dE_m}{dt} = \dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{dE_m}{dt}\;</math>» est la dérivée temporelle de l’énergie mécanique du solide dans le champ des forces extérieures conservatives définissant <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}la puissance mécanique du solide à l'instant <math>\,t\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives, notée «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» la puissance instantanée développée, à l'instant <math>\,t</math>, par les forces extérieures non conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}appliquées au solide notée «<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on obtient «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» d'où l'énoncé du théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen : {{Théorème|titre=Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide »|contenu = {{Al|5}}La puissance mécanique à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> <math>\big[</math>avec, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie mécanique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{ext}}(t)}\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces }}conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math>» l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique }}est égale à la puissance instantanée développée par les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique est égale à }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> au même instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide à un instant <math>\,t\,</math> quelconque se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}c.-à-d., après intégration, « la conservation de l’énergie mécanique du solide précédemment défini ». === Application au cas d’un solide amorti === {{Al|5}}Parmi les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées à un solide et travaillant, « les plus fréquentes sont dissipatives » <ref> Mais elles peuvent aussi être motrices par exemple, si nous souhaitons que les oscillations d’un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ou d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] perdurent alors qu’existent naturellement des frottements {{Nobr|<math>\,\big(</math>même}} minimes<math>\big)</math>, il est nécessaire de les entretenir à l’aide d’une force extérieure motrice compensant les forces de frottement, cette force motrice étant alors usuellement non conservative tout comme le sont les forces de frottement.</ref> comme les forces de frottement fluide <math>\,\big(</math>ou solide<math>\big)</math> ; {{Al|5}}si les seules forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> travaillant sont des forces de frottement s'exerçant sur un solide en mouvement dans un référentiel galiléen, <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces }}conservatives <ref name="théorème de la puissance mécanique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_la_puissance_mécanique_appliqué_à_un_«_solide_»|théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}s’écrivant «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{frott}}\!(t) < 0\;</math>» dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}l'énergie mécanique de ce solide «<math>\;E_m(t) \searrow\,</math> au sens strict » avec <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}</math> <math>\big(</math>il est qualifié d'« amorti »<math>\big)</math>. ==== Cas particulier du pendule de torsion amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] dont la photographie est dans un « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|paragraphe plus haut dans ce chapitre]] » mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}avec les masselottes remplacées par des ailettes comme présenté dans le schéma de vue de dessus de la « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|remarque du paragraphe précité]] », <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d'un fil et sa conservation en absence de frotemment]] (2^ème exemple) » plus haut dans ce chapitre dans lequel <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> doit être remplacée par <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})</math>.</ref> dans le référentiel <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « }}<math>\big\{</math>avec <math>\,U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> la position d'équilibre du <br>{{Al|12}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « <math>\color{transparent}{\big\{}</math>avec <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2}\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence }}solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big\}\,</math> {{Al|5}}aux deux couples extérieurs de torsion conservatifs s'exerçant sur le solide « tige + ailettes » et « dérivant » de l'énergie potentielle de ce dernier dans le champ de torsion des deux fils, à savoir «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) =</math> <math>\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <math>\;\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre du solide <math>\;\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big)\;</math><ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d'un fil et sa conservation en absence de frottement]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, il convient d'ajouter {{Al|5}}le « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Couple_de_frottement_fluide_linéaire_agissant_sur_le_pendule_par_l’intermédiaire_des_ailettes|couple de frottement fluide linéaire agissant sur le pendule par l'intermédiaire des ailettes]] » dont le moment scalaire relativement à l'axe <math>\;\Delta_C\;</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C} = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» établi au chap.<math>7</math> de la leçon « Mécanique 2 (PCSI) » <math>\;\big[H\;</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frottent les ailettes<math>\big]\;</math> montre qu'il est non conservatif <ref name="raison du caractère non conservatif"> En effet pour que ce couple soit conservatif il faudrait que son moment scalaire ne dépende que de <math>\;\theta\;</math> ou soit constant mais en aucun cas dépendant de <math>\;\dot{\theta}</math>.</ref>, la puissance du couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\;t</math>, selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant «<math>\;E_m(t) = K(t) + U_{\text{tors}}\!\left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2\!(t) + \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2}\!(t) - C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d'un fil et sa conservation en absence de frottement]] » plus haut dans ce chapitre en remplaçant « solide + masselottes » par « solide + ailettes ».</ref> à l'instant <math>\;t\;</math> dans le référentiel d'étude <math>\;\mathcal{R}</math>, <math>\;\big[J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;</math> étant le moment d'inertie du solide « tige + ailettes » relativement à l'axe commun <math>\;\Delta_C\;</math> des deux fils <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /><math>\big]\;</math> on en déduit aisément, dans <math>\;\mathcal{R}\;</math> et à l'instant <math>\;t</math>, la puissance mécanique du solide « tige + ailettes » dans le champ de torsion des fils en formant <math>\;\dot{E}_m(t) = \dfrac{d E_m}{dt}(t)\;</math> puis {{Al|5}}l’application du théorème de la puissance mécanique au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> nous conduit à «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» ou «<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» soit encore, {{Al|5}}en explicitant la dérivée temporelle de l’énergie mécanique puis en divisant par «<math>\;\dot{\theta}\!(t)\;</math>», l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon «Mécanique 2 (PCSI)» à savoir <center>«<math>\;J_{\Delta_C}\!\left( \text{tige} + \text{ailettes} \right)\;\ddot{\theta}(t) + H\;\dot{\theta}(t) + 2\;C\;\theta(t) = 2\;C\;\theta_1\;</math>».</center> ==== Cas particulier du pendule pesant à un degré de liberté amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] à un degré de liberté du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre avec des frottements fluides linéaires comme présenté dans la vue de profil de la remarque du paragraphe précité, {{Al|5}}à la force extérieure «<math>\;m\;\vec{g}\;</math>», conservative, s'exerçant sur le P.P.A. <ref name="P.P.A." /> et « dérivant » de l'énergie potentielle de pesanteur de ce dernier, à savoir «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) =</math> <math>m\;g\;\mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos(\theta) \right]\;</math>» <math>\;\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre stable du solide <math>\;\theta_{\text{éq. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P." /><math>\big)\;</math><ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, il convient d'ajouter {{Al|5}}les forces de frottement fluide linéaire dont le moment scalaire relativement à l'axe <math>\;\Delta_O\;</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t) = -H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» a été établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « Mécanique 2 (PCSI) » <math>\;\big[H\;</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du pendule, de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel il frotte<math>\big]\;</math> montre que ces forces de frottement est un système non conservatif <ref name="raison du caractère non conservatif" />, la puissance de ces forces de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\;t</math>, selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right] =</math> <math>\mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t)\;\dot{\theta}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}l'énergie mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> étant «<math>\;E_m(t) = K(t) + U_{\text{pes}}\!\left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> à l'instant <math>\;t\;</math> dans le référentiel d'étude <math>\;\mathcal{R}</math>, <math>\;\big[J_{\Delta_O}\;</math> étant le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> relativement à son axe <math>\;\Delta_O\;</math> de rotation <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /><math>\big]\;</math> on en déduit aisément, dans <math>\;\mathcal{R}\;</math> et à l'instant <math>\;t</math>, la puissance mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en formant <math>\;\dot{E}_m(t) = \dfrac{d E_m}{dt}(t)\;</math> puis {{Al|5}}l’application du théorème de la puissance mécanique au P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> nous conduit à «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right]\;</math>» ou «<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» soit encore, {{Al|5}}en explicitant la dérivée temporelle de l’énergie mécanique puis en divisant par «<math>\;\dot{\theta}\!(t)\;</math>», l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon «Mécanique 2 (PCSI)» à savoir <center>«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) + H\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>».</center> == Notes et références == <references /> {{Bas de page | idfaculté = physique | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie|Approche énergét. du mouv. d'un sol. en rotat. autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels|Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels]] }} t08faj4myzpqvpe4nowjpq419br3x64 987938 987937 2026-10-31T13:50:34Z Phl7605 31541 /* Cas particulier du pendule de torsion amorti par frottement fluide linéaire */ 987938 wikitext text/x-wiki {{Chapitre | idfaculté = physique | numéro = 12 | niveau = 14 | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie/]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels/]] }} <center>Ce chapitre est traité dans le cadre de la dynamique newtonienne avec ajout de quelques éléments de dynamique relativiste.</center> == Théorème de l'énergie cinétique d’un système de matière, cas d’un solide en rotation autour d’un axe fixe == {{Al|5}}Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}est évidemment à connaître comme forme intégrée de la forme locale <ref name="forme intégrée de forme locale"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Lois_de_la_puissance_et_de_l'énergie_cinétiques#Différence_entre_«_forme_locale_de_la_dynamique_»_et_«_forme_intégrée_associée_à_cette_forme_locale_»|différence entre forme locale de la dynamique et forme intégrée associée à cette forme locale]] » du chap.<math>15</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> « théorème de la puissance <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}cinétique d'un système de matière » laquelle est inscrite explicitement dans le programme <math>\;\ldots</math> === Définition du travail du système des forces extérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque"> Par « système de matière quelconque » il faut entendre « système fermé discret de points matériels ou continu de matière » « déformable ou non ».</ref> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1"> A priori <math>\,N\,</math> pourrait être égal à <math>\,1\,</math> mais ce ne serait plus un système de points matériels mais un simple point matériel.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes"> C.-à-d. l’ensemble des paramètres de position et de vitesse de tous les points à l'instant de définition de l'état, tous ces paramètres permettant d’y décrire le système.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> entre }}l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Expression_du_travail_élémentaire_de_la_force_dont_le_point_d’application_subit_le_vecteur_déplacement_élémentaire_correspondant_à_la_durée_élémentaire_de_développement_de_sa_puissance|expression du travail élémentaire de la force dont le point d'application subit le vecteur déplacement élémentaire correspondant à la durée élémentaire de développement de sa puissance]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - bis"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="infiniment proches"> Instants infiniment proches.</ref>, son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité volumique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance volumique <math>\,\mathcal{P}_{\text{vol},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t)</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité surfacique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance surfacique <math>\,\mathcal{P}_{\text{surf},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) =</math>}} <math>\sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité linéique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance linéique <math>\,\mathcal{P}_{\text{lin},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right] dt\;</math>».</ref>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« chaque point <math>\,\color{transparent}{M_i}\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> entre «<math>\;\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\;</math>» }}son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\,</math> étant aussi tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces extérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces extérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" />. === Définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est également présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2"> Pour l'existence de forces intérieures appliquées à un système, <math>\,N\,</math> doit être évidemment <math>\,\geqslant\,</math> à <math>\,2</math>.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes" /> et l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" /> sachant que <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir }}le système des forces intérieures s'exerçant sur le système discret fermé de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le système des forces intérieures }}est défini comme « l'ensemble des forces <math>\,\vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t)\,</math> que chaque point <math>\,M_j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, exerce sur chaque point <math>\,M_i,\;\;i \neq j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math>» <ref name="système de forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Forces,_principe_des_actions_réciproques#Système_des_forces_intérieures_s’exerçant_sur_un_système_de_points_matériels_fermé|système des forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math> entre les instants <math>\;t\;</math> et <math>\;t + dt\;</math> selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i} \right]\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - ter"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> dans lequel, chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \mu(M')\;d \mathcal{V}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bivolumique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}}{d \mathcal{V}_{M'}\;d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \sigma(M')\;d S_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\;</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bisurfacique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}}{d S_{M'}\;d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \lambda(M')\;d \mathit{l}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\;\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bilinéique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}}{d \mathit{l}_{M'}\;d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace dt\;</math>».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces intérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces intérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière" />. {{Al|5}}<u>Remarque 1</u> : Le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures }}peut aussi être défini à partir de la puissance instantanée développée par les forces intérieures s’exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="définition de la puissance développée par les forces intérieures"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Définition_2|définition]] (de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures peut aussi être défini }}selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - tetra"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : }}le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}s'obtenant en ajoutant tous les travaux élémentaires de <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}peut se calculer à partir de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> peut se calculer }}par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>». {{Al|5}}<u>Remarque 2</u> : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math><ref name="définition du référentiel Rj"> Le référentiel «<math>\;\mathcal{R}_j\;</math>» est le référentiel lié à <math>\,M_j\,</math> en translation par rapport au référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#cite_note-puissance_des_forces_intérieures_s'exerçant_sur_système_continu_de_matière_-_ter-55|⁵⁵]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> dans le référentiel <math>\,\color{transparent}{\mathcal{R}}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}_{\text{int}}(t)}</math> }}<math>= \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Autres_expressions_équivalentes|autres expressions équivalentes]] de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj"> Le point <math>\,M_i\,</math> décrivant dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_j</math> <math>\,\big[</math>lié à <math>\,M_j\,</math> et en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\big]\,</math> une trajectoire particulière <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}\;</math> entre les deux instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t)\big]\,</math> étant tangent à <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}</math>.</ref> ou <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures «}}<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right]\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : }}de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière" />{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" />{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" />. {{Al|5}}<u>Remarque 3</u> : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nulle <ref name="puissance des forces intérieures en général non nulle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (1^ère conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu"> Système discret de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique"> Le système se comporte donc comme un solide au sens de la mécanique.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures nulle pour un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (3^ème conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = 0\;\;\forall\;t\,</math> pour <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = 0\;\;\forall\;\left[ t\,,\,t + dt \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> le devient }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = 0\;\;\forall\;\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> ». === Théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Partant du théorème de la puissance cinétique appliqué, à l'instant <math>\,t</math>, à un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Énoncé|énoncé]] du théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> dans lequel <math>\,\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math> est la puissance cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{ext}}(t)\,</math> la puissance développée par les forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\,</math> celle développée par les forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la même date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on multiplie par <math>\,dt\,</math> pour obtenir la forme élémentaire du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir la forme élémentaire }}entre «<math>\;t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\;</math>» où <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> est la variation élémentaire d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{ext}}\,</math> le travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{int}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur le même <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on intègre entre <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique }}entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec <math>\,\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\,</math> variation d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\,</math> }}sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> le travail des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> le travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> celui des forces intérieures }}sur le même <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>. {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> étant nul quel que soit le mouvement du système » <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Définition_du_travail_du_système_des_forces_intérieures_appliquées_à_un_«_système_de_matière_»_entre_un_état_initial_et_un_état_final|définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un système de matière entre un état initial et un état final]] (remarque 3) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul }}<math>\Rightarrow</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide sous sa forme élémentaire ou <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide }}sur une durée finie : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière en translation » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière"> Système fermé discret fermé de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> en translation » <ref name="système en translation"> Un « système de matière en translation » ne se déformant pas peut aussi être qualifié de « solide » au sens de la mécanique.</ref>, tous les points ont le même vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> égal à celui du C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> <math>\,G\,</math> du système, d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\!G}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <ref name="signification du travail élémentaire développé par les forces extérieures appliquées à un système en translation"> Dans cette 3^ème expression «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» est aussi « le travail élémentaire qui serait développé, sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\,t + dt \right],</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>, par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans <math>\,\mathcal{R}\;</math>» <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», ce dernier s'obtenant par application du théorème du mouvement du C.D.I. <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Principe_fondamental_de_la_dynamique_et_théorème_de_la_résultante_cinétique#Énoncé_du_théorème_(dynamique_newtonienne)|énoncé du théorème (dynamique newtonienne)]] du mouvement du C.D.I. d'un système » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> correspondant aussi à l'application de la r.f.d.n. <math>\,\big(</math>relation fondamentale de la dynamique newtonienne<math>\big)\,</math> au point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>» sur lequel s'exercerait la résultante dynamique<math>\big\}</math>.</ref> dans laquelle «<math>\;\vec{F}_{\text{ext}}(t)\;</math> est la résultante <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}«}}dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» <ref> Voir les paragraphes « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_en_translation_»|cas d'un système de matière en translation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » et « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissancce développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces intérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{int},\,\text{syst. en transl.}} = 0\;</math>» <ref name="système en translation" />{{,}} <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>de la variation élémentaire de l'énergie cinétique du système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en transl.}}\;</math>» avec «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="signification de l'énergie cinétique d'un système en translation"> Dans cette 2^ème expression «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» est aussi « l'énergie cinétique newtonienne du point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans {{Nobr|<math>\,\mathcal{R}\,</math>»}} <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», tous les points du système en translation ayant même vitesse que le C.D.I. <math>\,G\big\}</math>.</ref> l'énergie cinétique <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, dans le cadre de la cinétique newtonienne <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en translation"> Voir le paragraphe « énergie cinétique dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Cas_d'un_système_en_translation|cas d'un système en translation]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique }}appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" />{{, }} <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque dans un référentiel galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> nous obtenons : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un référentiel <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière en translation <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> étant le C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> et <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =}</math> }}la résultante dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\,</math> ou <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste"> Applicable sous cette forme dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste.</ref> avec <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="système fermé de matière" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système en translation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =</math> <math>K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail effectué par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail effectué par la résultante dynamique }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <br>{{Al|208}}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Ce théorème <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais il doit bien sûr être connu <ref> Sans doute ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. car on considère usuellement un système de matière en translation comme un point matériel <math>\,\big(</math>le C.D.I. <math>\,G\,</math> du système<math>\big)\,</math> sur lequel s'exerce la résultante dynamique du système et, selon ce point de vue, le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un système de matière en translation n'est rien d'autre que le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un point matériel, lequel est, quant à lui, au programme <math>\;\ldots</math></ref>. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}<u>Préliminaire</u> : Un « système <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » peut, a priori, se déformer <ref name="système en rotation autour d'un axe"> Par exemple, en se dilatant, c.-à-d. que chaque point du système, en plus de sa rotation autour d'un axe fixe, s'éloigne radialement de cet axe <math>\,\big(</math>la vitesse d'éloignement pouvant être différente d'un point à un autre<math>\big)\,</math> mais dans ce cas il ne s'agit pas d'une rotation « pure » <math>\;\ldots</math> <br>{{Al|3}}Pour maintenir une même vitesse angulaire à un instant <math>\,t\,</math> pour tous les points d'un « système déformable », il faut que le mouvement orthoradial de chacun des points soit corrélé au mouvement radial correspondant, avec absence de mouvement axial, c.-à-d. que, pour deux points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> tels que la droite <math>\,M_iM_j\,</math> recoupe l'axe <math>\,\Delta\,</math> perpendiculairement en <math>\,H_{i,\,j}</math>, <math>\,\big[</math>les points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> ayant donc même abscisse angulaire <math>\,\theta_{i,\,j}(t)\big]\,</math> on ait <math>\,\dot{\theta}_{i,\,j}(t) = \overline{\Omega}(t)</math> <math>\,\big[</math>donc indépendant de <math>\,\left( i\,,\, j \right)\big]\,</math> pour tout instant <math>\,t\,</math> et pour tout couple <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> dont les éléments ont même abscisse angulaire, ces conditions étant très contraignantes sont quasiment jamais réalisées naturellement <math>\;\ldots</math></ref>, toutefois, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Préliminaire : un « système <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>fermé<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » }}il est, en pratique, indéformable et est alors qualifié de « solide » au sens de la mécanique ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Préliminaire : }}l’exposé ci-dessous s'applique à un système discret <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de points matériels ou un système continu <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}<u>Exposé</u> : Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière" /> indéformable, en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe <math>\,\Delta</math>, fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen », <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}tous les points ont le même vecteur rotation instantanée <math>\,\vec{\Omega}(t) = \overline{\Omega}(t)\;\vec{u}_{\Delta}\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\big[\vec{u}_{\Delta}\,</math> étant le vecteur unitaire orientant l'axe de rotation <math>\,\Delta\,</math> et <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\big[}</math>}}autour de cet axe de rotation <math>\,\Delta\big]\,</math> d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe"> Expression ne nécessitant pas que l'axe <math>\,\Delta\,</math> soit fixe, la fixité de l'axe dans un référentiel intervenant quand ce dernier est galiléen et quand on utilise l'un des théorèmes fondamentaux de la dynamique de rotation des systèmes <math>\,\big\{</math>par exemple le théorème de l'énergie cinétique établi dans ce paragraphe mais le traavail élémentaire déveeloppé par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» ne nécessite pas que <math>\,\Delta\,</math> soit fixe<math>\big\}</math>.</ref>{{,}} <ref name="travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur un système en rotation"> Voir le paragraphe « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> {{Nobr|«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)</math>}} <math>= \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;</math>» et le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\delta W\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right] = \mathcal{P}\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right]\;dt\;</math>» puis, en faisant la somme membre à membre de façon à définir le travail élémentaire du sytème des forces extérieures s'exerçant sur le système en rotation «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)\;dt\;</math>».</ref> où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> est le moment <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» ou, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>du travail élémentaire }}avec «<math>\;\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta\;</math>» dans lequel <math>\,\theta(t)\,</math> est l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, la réécriture <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>,«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>de la variation de l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}}\;</math>» avec, l'énergie cinétique, à l'instant <math>\,t</math>, de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le cadre de la cinétique newtonienne «<math>\;K_{\text{syst. en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en rotation autour d'un axe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d’un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d’un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> avec «<math>\;J_\Delta\,</math> le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}relativement à <math>\,\Delta\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe"> Voir la notion de moment d'inertie d'un système discret ou continu dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Application_à_un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe#Application_au_cas_d'un_«_système_fermé_de_matière_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe_«_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|application d'un système fermé de matière en rotation autour d'un axe Δ fixe quelconque dans un référentiel d'étuide galiléen]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> d'où, en cinétique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> appliqué à un solide <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_solide_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d'un système }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> avec «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» et «<math>\;\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <math>\,\overline{\Omega}(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}<math>= \dot{\theta}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> encore égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>avec <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> et <math>\,\theta(t)\,</math> l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" />, sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail du moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail du }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[\theta(t)\,</math> étant l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation est égale au travail du «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[\theta}\,</math> étant l'abscisse angulaire }}à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> étant le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = 2\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)}\;</math>» <math>\,\big[</math>}}<math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] <math>\,\big(</math>photographié ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_(non_amorti)|mise en équation différentielle du mouvement du pendule de torsion (non amorti)]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Théorème_de_la_puissance_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_autour_d'un_axe_Δ_fixe_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe dans un référentiel d'étude galiléen]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. {{Al|5}}Ci-contre le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec deux fils de torsion identiques de même constante de torsion «<math>\;C\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec }}positions de masselottes identiques <math>\,\big(</math>sauf pour la couleur<math>\big)\,</math> de part et d'autre du point <math>\,C\,</math><ref name="distinction entre point d'attache des fils sur la tige et constante de torsion des fils"> On accepte la même notation pour le point d'attache des deux fils sur la tige et la constante de torsion de ces derniers tant qu'il n'y a pas d'ambiguïté <math>\,\big(</math>ce qui ne devrait jamais arriver compte-tenu du fait que ces deux grandeurs sont de nature différente<math>\big)</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec positions de masselottes identiques }}<math>\,\big(C\,</math> point d’attache des deux fils de torsion sur la tige<math>\big)</math> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre <math>\,\big(</math>en absence de masselottes<math>\big)\,</math> diffère du « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] » de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici l'extrémité supérieure <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil de torsion supérieur est mobile au lieu d'être fixe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur étant dans les deux fixe et <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici la torsion initiale est fournie par rotation propre de <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> d'un angle «<math>\;2\,\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>repéré sur le cercle gradué lié à <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}</math>, position de référence du cercle gradué<math>\big)\,</math> <math>\Rightarrow</math> en pratique, après quelques oscillations, la tige <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}acquiert la position d'équilibre repérée par l'angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>voir vérification ci-dessous<math>\big)\,</math> alors que <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] la torsion initiale est fournie par rotation de la tige d'un angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>également repéré <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>dans le pendule du chap.7 }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}\big)</math>, la position d'équilibre de la tige étant repérée par l'angle nul ; {{Al|5}}<u>vérification de la position d'équilibre de la tige dans le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}orientant les deux fils de torsion du bas vers le haut, quand la tige acquiert la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion supérieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche"> Une hélice est « droite » si le point tourne sur la gauche <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique direct ou encore dans le sens antihoraire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée et <br>{{Al|31}}elle est « gauche » si le point tourne sur la droite <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique indirect ou encore dans le sens horaire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée <br>{{Al|3}}<math>\,\big[</math>revoir aussi la distinction « hélices gauche ou droite » dans le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Mouvement_de_particules_chargées_dans_des_champs_électrique_et_magnétique_:_Cas_particulier_d'un_champ_magnétostatique_uniforme#Nature_hélicoïdale_uniforme_du_mouvement_de_la_particule|nature hélicoïdale uniforme du mouvement de la particule]] » du chap.<math>24</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> d'un angle «<math>\;\theta_1 - 2\;\theta_1 = -\theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil"> L'angle de torsion du fil qui intervient dans le vecteur moment du couple de torsion est l'angle que fait l'extrémité mobile relativement à l'extrémité maintenue fixe même si cette extrémité est fixée avec torsion initiale comme c'est le cas pour le fil supérieur <math>\,\big\{</math>on peut vérifier que cette définition correspond bien au schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » car {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{A_0B_0}\;</math>»}} est lié à l'extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil supérieur et «<math>\;\overrightarrow{AB}\;</math>» à l’extrémité mobile <math>\,C\,</math> et il en est de même pour l'éventuel fil de torsion inférieur<math>\big\}</math>.</ref> par rapport à son extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion supérieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} = -C \left( -\theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion inférieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche" /> d’un angle «<math>\;\theta_1 - 0 = \theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil" /> par rapport à l’extrémité <math>\;O_{\text{inf}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion inférieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = -C \left( \theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = -C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur la tige vérifiant «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} + \vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = \vec{0}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur }}la tige est effectivement en équilibre dans cette position <math>\;\ldots</math> {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <math>\,\big\{</math>ensemble solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC"> L'axe <math>\,\Delta_C\,</math> est le support des fils de torsion.</ref> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemb}}le solide étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles"> Repérée par rapport à la position de l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemble solide étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des masselottes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des masselottes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des masselottes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur"> L'angle de torsion du fil supérieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 2\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation"> Il s'agit de l'application de la puissance instantanée développée par un système de forces extérieures sur un solide en rotation autour d'un axe fixe <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d'un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> quand le système de forces extérieures est équivalent à un couple <math>\,\big[</math>c.-à-d. un système dont la résultante est nulle et dont le moment résultant scalaire relativement à l'axe de rotation définit le moment scalaire du couple<math>\big]</math>.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur"> L'angle de torsion du fil inférieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 0 = \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cin%C3%A9tique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d'un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;</math> est le moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et masselottes » en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_C\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre"> Ce qui suppose que <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> est non identiquement nulle <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\theta(t)\,</math> n'est pas une constante c.-à-d. que le solide n'est pas à sa position d'équilibre.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à droite «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta_1\;</math>», équation différentielle linéaire <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants sans terme du 1^er ordre hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_non_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition non énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] », la présence d'un 2^nd membre constant signifiant que le paramètre caractérisant l'oscillateur dans l'espace n'est pas nul à l'équilibre.</ref> de rotation ; {{Al|5}}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Conséquence_«_le_pendule_de_torsion_(non_amorti)_est_un_oscillateur_harmonique_non_amorti_de_rotation_»|conséquence : le pendule de torsion (non amorti) est un oscillateur harmonique non amorti de rotation]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » ; [[File:Pendule de torsion amorti - vue de dessus.png|thumb|300px|Vue de dessus d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti par substitution d'ailettes planes aux masselottes fixées sur la tige <math>\,\big(</math>les fils de torsion supérieur et inférieur <math>\,\perp\,</math> au plan de la figure ne peuvent y être représentés<math>\big)</math>]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> du }}<math>\big(</math>voir vue de dessus partielle représentée ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre étant écarté initialement comme celui de début de paragraphe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, le pendule ci-contre étant écarté initialement }}la tige acquiert donc une position d'équilibre repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}l'ensemble « tige et ailettes » étant un solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC" /> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant }}le solide est, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant le solide est, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}les actions extérieures sont <math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des ailettes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{ailettte}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des ailettes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des ailettes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{ailette}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu dans lequel se déplace le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] exercent sur les ailettes, modélisées par un <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> }}couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion"> voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Couple_de_frottement_fluide_linéaire_agissant_sur_le_pendule_par_l’intermédiaire_des_ailettes|couple de frottement fluide linéaire agissant sur le pendule par l'intermédiaire des ailettes]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple }}<math>\big[H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}et du fluide sur lequel frottent les ailettes<math>\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide la puissance instantanée }}selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\,</math> est le moment d'inertie du solide « tige + ailettes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et ailettes » en rotation autour de <math>\,\Delta_C\,</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t) - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t) - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1 - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étudié «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta_1\;</math>», équation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}différentielle linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique" /> de rotation ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Loi_horaire_de_position_angulaire_du_pendule_de_torsion_amorti|loi horaire de position angulaire du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ». == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule pesant non amorti à un degré de liberté - forces extérieures.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté <math>\,\big(</math>schématisé ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_non_amorti_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_du_moment_cinétique_scalaire|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant non amorti (à un degré de liberté) par application du théorème du moment cinétique scalaire]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />. {{Al|5}}Ci-contre schéma de face du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] idéale <ref name="liaison idéale"> C.-à-d. dans laquelle on peut négliger les frottements solides.</ref> du solide en rotation autour de l’axe horizontal <math>\,\Delta_O\;</math><ref name="liaison pivot du pendule"> Pour plus de détails voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Présentation_du_pendule_pesant_(non_amorti)_«_P.P.(N.A.)_»|présentation du pendule pesant (non amorti) P.P.(N.A.)]] (liaison pivot avec le point O) » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Non Amorti.</ref> à un degré de liberté ayant un mouvement de rotation imposé par la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] du solide avec l'axe <math>\,\Delta_O</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté }}son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,O</math>, d'axe <math>\,\Delta_O\,</math> orienté par le vecteur unitaire «<math>\;\vec{u}_{\Delta_O}\;</math>» et <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,\color{transparent}{O}</math>, }}de rayon «<math>\;\mathfrak{a}\;</math>» avec, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. }}<math>G\,</math> repéré par son abscisse angulaire «<math>\;\theta_G(t) = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\overrightarrow{OG}(t) \right\rbrace} = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\vec{u}_r(t) \right\rbrace}\;</math>» <ref name="noté theta"> Noté «<math>\;\theta(t)\;</math>» par la suite en absence d'ambiguïté.</ref> ; {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = \left[ \overrightarrow{OG}(t) \wedge m\;\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_O} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids"> Le moment vectoriel du poids par rapport à <math>\,O\,</math> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)\;</math>» a établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_liaison_sphérique_et_avec_les_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b),_établissement_de_la_nature_plane_du_mouvement_du_C.D.I._G_du_P.P.(N.A.)|dans le cas d'une liaison sphérique et avec les C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), établissement de la nature plane du mouvement du C.D.I. G du P.P.(N.A.)]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] », soit «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\varphi_G}(t)\;</math>» avec <math>\,\vec{u}_{\varphi_G}\,</math> s'identifiant à <math>\,\vec{u}_{\Delta_O}</math>. <br>{{Al|3}}On pouvait aussi déterminer directement le moment scalaire du poids, le schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_«_liaison_pivot_»_ou_d’une_«_liaison_sphérique_avec_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b)_»,_nouveau_repérage_adapté_à_la_nature_rotatoire_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_à_un_degré_de_liberté|dans le cas d'une liaison pivot ou d'une liaison sphérique avec C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), nouveau repérage adapté à la nature rotatoire du mouvement du P.P.(N.A.) à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » étant fait avec le paramètre de position angulaire <math>\,\theta > 0</math>, on observe que le poids tend à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,-\,</math> avec un bras de levier <math>\,\big(</math>distance orthogonale séparant l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du support de <math>\,m\;\vec{g}\big)\,</math> égal à <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où, dans le cas où <math>\,\theta\,</math> est <math>\,> 0</math>, {{Nobr|«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)</math>}} <math>= - \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>» <math>\,\Big\{</math>le résultat est indépendant du signe de <math>\,\theta\,</math> mais si le schéma était fait avec <math>\,\theta < 0</math>, on observerait que le poids tendrait à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,+\,</math> avec un bras de levier <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = + \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = m\;g\;\left[ -\mathfrak{a}\; \sin(\theta) \right] = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>», soit effectivement le même résultat <math>\,\big[</math>avec toutefois une possibilité d'erreur si on oubliait que <math>\,\theta < 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert = -\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\big]\Big\}</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_particulier_où_M_est_en_mouvement_circulaire_d'axe_Δ_et_de_vitesse_angulaire_instantanée_Ω(t)|cas particulier où M est en mouvement circulaire d'axe Δ et de vitesse angulaire instantanée Ω(t)]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> de la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I."> Conditions Initiales.</ref> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O"> On a établi dans la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#cite_note-réduction_à_deux_composantes_de_la_réaction_dans_ces_C.I.-18|¹⁸]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » que la réaction du point <math>\,O\,</math> dans l'hypothèse d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] sur le pendule lancé dans les C.I. <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\,</math> ou <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\,</math> s'écrirait <math>\,\vec{R}(t) =</math> <math>R_{\rho_G}(t)\;\vec{u}_{\rho_G}(t) + R_z(t)\;\vec{u}_z</math>, c.-à-d. que la réaction serait dans le plan vertical de lancement soit encore «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» ; <br>{{Al|3}}on établit de même <math>\,\big[</math>sans que cela ait été exposé dans le chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> que la réaction de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le pendule quels que soient les C.I. de lancement compatibles avec la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] s'écrit «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>».</ref> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul"> En effet la force étant <math>\,\perp\,</math> à l'axe par rapport auquel son moment scalaire est évalué est de bras de levier nul.</ref> auquel s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe"> Le couple étant de moment vectoriel <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta_O</math>.</ref> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée à la date <math>\,t\,</math> par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée développée à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|7}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}sans terme du 1^er ordre ; {{Al|5}}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique"> On appelle « [[w:Solution_de_forme_fermée|solution analytique]] » d'une équation différentielle, une expression mathématique <math>\,\big(</math>souvent dite « formule explicite »<math>\big)\,</math> pouvant s'obtenir par une combinaison d'opérations et de [[w:Fonction_de_référence|fonctions de référence]] <math>\,\big(</math>c.-à-d. fonctions affines, puissances, trigonométriques et exponentielles ainsi que leurs fonctions inverses sur un domaine de définition restreint pour lequel il y a bijection et même certaines solutions d'équations différentielles dites de référence<math>\big)</math>, les opérations étant l'addition, la soustraction, la multiplication, la division et l'extraction de racines.</ref> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’élongations_angulaires_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'élongations angulaires non petites]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il est nécessaire de procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="solution analytique dans le cas d'élongations petites"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Cas_particulier_des_«_petites_élongations_angulaires_»,_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_=_oscillateur_harmonique_(non_amorti)_approché_de_rotation,_période_des_«_petites_oscillations_»|cas particulier des petites élongations angulaires, pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) oscillateur harmonique (non amorti) approché de rotation, période des petites oscillations]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. [[File:Pendule pesant amorti à un degré de liberté - forces extérieures - bis.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures, <math>\,I\,</math> étant le point où la résultante des forces de frottement fluide peut être appliquée]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti <math>\,\big(</math>voir coupe partielle représentée ci-contre<math>\big)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire" /> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I." /> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O" /> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul" /> où s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe" /> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu où se déplace le [[w:Pendule_pesant|pendule]] exercent sur ce dernier, modélisées par <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}un couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_O}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti" />{{,}} <ref name="définition de H"> <math>\,H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]], de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frotte le solide.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Amorti.</ref> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0 - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right] - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_O}}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}avec terme linéaire du 1^er ordre ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique" /> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’amplitudes_initiales_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'amplitudes initiales non petites]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il faut procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique - bis"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » nécessitant néanmoins d'ajouter le terme d'amortissement <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A." />. == « En complément », caractère conservatif du couple de torsion, énergie potentielle de torsion et conservation de l’énergie mécanique du pendule de torsion (non amorti) dans le champ de torsion du fil == {{Al|5}}Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » ne sont pas explicités dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » }}il me semble souhaitable de le retenir <math>\,\big(</math>et bien sûr d’être capable de le retrouver<math>\big)</math>. === Caractère conservatif du couple de torsion === {{Al|5}}Le travail élémentaire d’un couple de torsion s’exerçant sur un solide, de vecteur moment «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t) = -C\;\alpha(t)\;\vec{u}_\Delta\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Expression_du_vecteur_moment_du_couple_de_torsion_exercé_par_le_fil_en_fonction_de_l'angle_de_torsion_«_α(t)_»,_notion_de_constante_de_torsion_«_C_»_du_fil_de_torsion|expression du vecteur moment du couple de torsion exercé par le fil de torsion α(t), notion de constante de torsion C du fil de torsion]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> lors d’une torsion élémentaire «<math>\;d \alpha\;</math>» <ref name="définition de Delta et alpha sur le fil de torsion"> <math>\,\Delta\,</math> étant la direction du fil de torsion orienté par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et «<math>\;\alpha\;</math>» l'angle de torsion algébrisé, défini au niveau de la liaison au solide dans le plan <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta\,</math> et orienté par <math>\,\vec{u}_\Delta</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion }}étant défini selon «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>», <math>\,\big[\overline{\Omega}(t)\,</math> étant la vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt}\;</math>», <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \alpha\;</math>»<math>\big]\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> soit finalement <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon }}«<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -C\;\alpha\; d \alpha\;</math>» correspondant à une différentielle de fonction <math>\Rightarrow</math> le <u>caractère conservatif du couple de torsion</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple"> Pour montrer qu’une force est conservative, on évalue son travail élémentaire en prenant un vecteur déplacement élémentaire quelconque <math>\,\overrightarrow{dM}\,</math> à partir du point d'application <math>\,M\,</math> de la force <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#2ème_définition_(équivalente)_d'une_force_«_conservative_»|2^ème définition (équivalente) d'une force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> ; <br>{{Al|3}}lorsqu'il s’agit d'un couple de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, il faut évaluer son travail élémentaire en envisageant une rotation élémentaire quelconque autour de n'importe quelle direction, le couple est alors conservatif si ce travail élémentaire est une différentielle de fonction mais <br>{{Al|3}}{{Transparent|lorsqu'il s'agit d'un couple }}dans le cas d’un couple de torsion de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, la seule direction autour de laquelle peut s’effectuer une rotation élémentaire est celle du fil c.-à-d. celle de <math>\,\vec{\Gamma}\,</math> et par suite la seule condition pour que le couple de torsion soit conservatif est que son travail élémentaire en considérant une rotation élémentaire autour de la direction du fil de torsion soit une différentielle de fonction ou encore que « le moment scalaire du couple de torsion par rapport au fil ne dépende que de l'angle de torsion <math>\,\alpha\;</math>» C.Q.E.R. <math>\,\big(</math>Ce Qui Est Réalisé<math>\big)</math>.</ref>. === Énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion === {{Al|5}}L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,U_{\text{tors}}\,</math> dont « dérive » le couple de torsion de vecteur moment <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}est définie par «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#1ère_définition_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|1^ère définition de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> c.-à-d. «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(\alpha)\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\,</math> ou <math>\,-C\;\alpha\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <math>\Leftrightarrow</math> «<math>\;\dfrac{dU_{\text{tors}}}{d \alpha} = C\;\alpha\;</math>» soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}en intégrant «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2 + cste\;</math>» ; choisissant la référence de l’énergie potentielle de torsion <math>\;U_{\text{tors}}(\alpha)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle"> C.-à-d. l'endroit où l'énergie potentielle est choisie nulle.</ref> <br>{{Al|7}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> en intégrant «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\alpha) = 2\; C\;\alpha^2 + cste}\;</math>» ; choisissant la référence }}quand le fil n’est pas tordu c.-à-d. <math>\,U_{\text{tors}}(0) = 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = 0</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}l'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d’un fil et sa conservation en absence de frottement === [[File:Pendule de torsion sans masselottes - actions exercées.png|thumb|500px|Schéma d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] représenté sans masselottes additives et avec fil inférieur sans torsion avec ajout des actions exercées sur la tige à l'instant <math>\;t</math>]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec un seul fil de torsion, l'autre fil étant sans torsion <math>\,\big(</math>voir schéma ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec un seul fil de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}la seule action extérieure de moment scalaire non nul par rapport à la direction <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}commune du fil de torsion et du fil sans torsion <math>\;\big(</math>orientée par le vecteur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> étant le couple « conservatif » de torsion <ref name="conservativité du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Caractère_conservatif_du_couple_de_torsion|caractère conservatif du couple de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}moment vectoriel «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}} = -C\;\alpha\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion /> auquel on associe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie potentielle de torsion du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre valant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;U_{\text{tors}}(t) =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion énergie potentielle de torsion }}<math>\,\dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_torsion_du_solide_relié_au_fil_de_torsion|énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}son énergie cinétique à la date <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{pend. tors.}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique }}<math>J_{CO_{\text{sup}}}\,</math> est le moment d'inertie du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] relativement à la <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique <math>\color{transparent}{J_{CO_{\text{sup}}}}\,</math> est }}direction du fil de torsion et du fil sans torsion <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à l'instant <math>\,t\,</math> selon «<math>\;E_m(t) = K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Propriétés_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|propriétés de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] (2^ème propriété) » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha_0 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\alpha(0) = \alpha_0\;</math> et <math>\,\dot{\alpha}(0) = 0\;</math>». [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]]]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige <math>\,\big(</math>voir photographie ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec deux fils de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}il y a deux actions extérieures s'exerçant sur le solide « tige + masselottes » de moment scalaire non nul par rapport à <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}la direction commune <math>\,\Delta_C\,</math> des deux fils de torsion <math>\,\big(</math>orientée par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}élémentaire du solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}prouve le <u>caractère conservatif du couple de torsion du fil supérieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}supérieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = -d U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta = -d U_{\text{tors. sup.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. sup.}}}{d \theta} = C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\,</math> qui s'intègre en <math>\,U_{\text{tors. sup.}}</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,= \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> et, en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. sup.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du solide à l'équilibre » c.-à-d. <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre"> Revoir l'explication rappelée dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans le chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil supérieur du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta_1 - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_1 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion"> Symboliquement l'énergie potentielle d'un solide dans le champ de torsion d'un fil de torsion s'obtient, à une constante additive près, par la moitié du produit de la constante de torsion du fil et du carré de l'angle de torsion, à l'instant <math>\;t</math>, du fil au point d'attache du solide.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation élémentaire du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\; \theta(t)\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et prouve le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<u>caractère conservatif du couple de torsion du fil inférieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}inférieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = -d U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\;\theta\;d \theta = -d U_{\text{tors. inf.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. inf.}}}{d \theta} = C\; \theta\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{tors. inf.}} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} + cste_2\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. inf.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position du solide à l'équilibre » c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil inférieur du solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2} + cste_2 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_2 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}finalement l'énergie potentielle globale de torsion du solide « tige + masselottes » <math>\,\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale }}s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = U_{\text{tors. sup.}}(\theta) + U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» ou, en simplifiant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale s'écrit }}«<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2\;</math>» <ref> En effet <math>\,\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + 2\;C\; \theta_1^{\,2} + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + C\; \theta_1^{\,2} = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2</math>.</ref>{{,}} <ref> Cette énergie potentielle de torsion du solide « tige + masselottes » est la même que celle que l'on obtiendrait avec un seul fil de torsion de constante de torsion <math>\,2\,C</math>, l'autre fil étant sans torsion avec la référence en la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>.</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule ci-dessus étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «<math>\;\color{transparent}{K_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#%Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torion par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique de l'ensemble tige + masselottes) » plus haut dans ce chapitre.</ref> avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule }}<math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion des deux fils définie, à l'instant <math>\,t\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie mécanique }}«<math>\;E_m(t) = K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}\! \left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\alpha\;</math>» dans le 1^er exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] ou <br>{{Al|57}}celui «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta - \theta_1 \right]^2 \,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du 2^ème exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|même]] paragraphe <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}étant parabolique, nous retrouvons la <u>2^ème définition d’un oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math>de rotation<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_(équivalente)_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition (équivalente) énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. <br>{{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> de son mouvement dans le 2^ème exemple du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}«<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2 = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>», <br>{{Al|58}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}les C.I. <ref name="C.I." /> étant «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}est donc une <u>ellipse décrite dans le sens horaire</u> <ref name="portrait de phase d'un socillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Tracé_du_portrait_de_phase_de_la_charge_du_condensateur_d'un_«_R_L_C_série_»_soumis_à_un_échelon_de_tension_suivant_le_cœfficient_d'amortissement|propriétés des portraits de phase de la charge du condensateur d'un RLC série soumis à un échelon de tension suivant le cœfficient d'amortissement]] (cas d'un circuit oscillant non amorti en vert) » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. == Conservation de l’énergie mécanique du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) dans le champ de pesanteur uniforme == === Énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant === {{Al|5}}Dans le cas d'un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref><math>\big)</math>, le poids du solide étant la seule action extérieure travaillant et ce dernier étant conservatif <ref name="poids d'un objet conservatif"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Établissement_du_caractère_«_conservatif_»_du_poids_d'un_point_matériel_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|établissement du caractère conservatif du poids d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, }}on lui associe l'énergie potentielle de pesanteur «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta)\;</math>» <ref name="énergie potentielle de pesanteur"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#«_Énergie_potentielle_de_pesanteur_d'un_point_matériel_»_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|énergie potentielle de pesanteur d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> déterminée en intégrant «<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = -dU_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> avec <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)\,</math> travail élémentaire du poids lors d'une rotation élémentaire d'angle <math>\,d \theta = \dot{\theta}(t)\;dt\,</math> autour de <math>\,\Delta_O\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe «<math>\;\color{transparent}{\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)}\,</math>}}<math>= \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;dt = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)\;dt = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;d \theta\;</math>» <ref name="travail élémentaire du poids du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (actions extérieures exercées sur le solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> d'où <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}<math>\,-dU_{\text{pes}} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\;d \theta\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{pes}}}{d \theta}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\,</math> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right) + cste\;</math>» <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}soit, en choisissant comme référence de l'énergie potentielle <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> « la position <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}d'équilibre stable de ce dernier <ref name="équilibre stable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessous de ce dernier.</ref> <math>\,\theta_{\text{éq. stable}} = 0\;</math>» d'où <math>\,U_{\text{pes}}(0) = 0\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}<math>\Rightarrow</math> <math>\,0 = -m\;g\;\mathfrak{a} + cste\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = m\;g\;\mathfrak{a}\,</math> d'où l'expression de <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}l'énergie potentielle de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> se réécrit selon <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta \right) \right]\;</math>» <ref> Pour trouver l'expression de l'énergie potentielle de pesanteur on peut aussi utiliser <math>\,\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = m\;g\;dz_G = -dU_{\text{pes}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{pes}} = -m\;g\;z_G + cste\,</math> sachant que <math>\,z_G = \mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right)\,</math> avec pour position d'équilibre stable <math>\,z_{G,\,\text{éq. stable}} = \mathfrak{a}</math> <math>\;\ldots</math></ref> <math>\,\big(</math>référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : la position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement === {{Al|5}}Considérant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A." /><math>\big)</math>, l'énergie potentielle de pesanteur étant «<math>\;U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right] = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\,</math> avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> <math>\,\theta_{\text{équi. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P."/> » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> et <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie cinétique du solide constituant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique du solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> dans laquelle <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie cinétique}}«<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du solide par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie mécanique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> dans le champ de pesanteur «<math>\;E_m\!(t) = K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) + U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right]</math> <br>{{Al|23}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie mécanique du P.P.N.A. dans le champ de pesanteur «<math>\;\color{transparent}{E_m\!(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{P.P.N.A.}}(t) + U_{\text{pes}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P..P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\,\left[ 1 - \cos(\theta) \right]\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}n'étant pas parabolique <math>\,\big(</math>mais sinusoïdal<math>\big)</math>, nous pouvons affirmer que <u>le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> n'est pas un oscillateur harmonique</u> <math>\,\big(</math>quand il est en situation d'osciller<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <math>\blacktriangleright\;</math>« oscillatoire pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'énergie mécanique initiale du P.P.N.A. vaut «<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^2 + m\;g\; \mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta_0 \right) \right]\;</math>».</ref> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. est }}<math>\blacktriangleright\;</math>« révolutive pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="étude du mouvement d'un P.P.N.A. par diagramme d'énergies"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Étude_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_dans_le_cas_général_des_élongations_angulaires_non_petites_par_diagramme_énergétique|étude du mouvement du P.P.(N.A.) dans le cas général des élongations angulaires non petites par diagramme énergétique]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}de démontrer, avec utilisation simultanée de l'intégrale 1^ère énergétique <ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'intégrale 1^ère énergétique du P.P.N.A. s'écrit «<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^{\,2} + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet de démontrer, }}la nature « périodique <math>\,\big(</math>oscillatoire ou révolutive<math>\big)\;</math>» ainsi que <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}d’établir l’expression de la période sous forme intégrale <math>\ldots</math> {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Les [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d’un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ayant pour équation implicite l’intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\;</math><ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" /> de son mouvement lequel dépend de la valeur de l'énergie mécanique initiale <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />, <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. }}diffèrent suivant <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="différents portraits de phase d'un P.P.N.A."> Voir les paragraphes « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Tracé_des_portraits_de_phase_dans_le_cas_général_«_d'oscillations_ou_de_mouvement_révolutif_»_d'un_P.P.S._lancé_dans_les_C.I._«_1b_U_1a_»|tracé des portraits de phase dans le cas général d'oscillations ou de mouvement révolutif d'un P.P.S. lancé dans les C.I. 1b U 1a]] » du chap.<math>12</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\,\big(</math>l'allure des [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti étant la même que ceux d'un [[w:Pendule_simple|pendule simple]] non amorti<math>\big)\,</math> et « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Différents_portraits_de_phase_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté),_«_bifurcation_»_entre_mouvement_«_pendulaire_»_et_révolutif|différents portraits de phase du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté), bifurcation entre mouvement pendulaire et révolutif]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>pendulaire</u> <ref name="pendulaire"> Adjectif synonyme d'« oscillatoire ».</ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>fermé</u>, décrit dans le « <u>sens horaire</u> » <ref name="justification du sens horaire"> Ou « trigonométrique indirect », en effet « quand <math>\,\dot{\theta}\,</math> est <math>\,> 0</math>, <math>\,\theta \nearrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \nearrow\,</math> puis <math>\,\searrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule » ensuite «<math>\;\dot{\theta}\,</math> est <math>\,< 0</math>, correspondant à <math>\,\theta \searrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \searrow\,</math> puis <math>\,\nearrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule de nouveau » <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}avec le point «<math>\;\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)\;</math>» comme « <u>centre de </u>{{Nobr|<u>symétrie</u> » <ref name="justification du centre de symétrie"> Invariance de l’équation en changeant «<math>\;\theta\,</math> en <math>\,-\theta\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des vitesses angulaires <math>\,\big(</math>en fait antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>» et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Invariance de l’équation }}en changeant «<math>\;\dot{\theta}\,</math> en <math>\,-\dot{\theta}\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des abscisses angulaires <math>\,\big(</math>là encore c'est une antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|3}}l’association des deux symétries axiales <math>\,\big(</math>ou plutôt des deux antisymétries axiales<math>\big)\,</math> donnant un centre de symétrie pour l'intersection des deux axes <math>\,\big[</math>le point d'intersection des deux axes étant réellement une symétrie centrale <math>\,\big(</math>et non une antisymétrie centrale<math>\big)</math>.</ref>}} <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, avec le point «<math>\;\color{transparent}{\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)}\;</math>» }}correspondant à la position d’équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /> du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ; <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> }}<math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>révolutif</u>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>ouvert</u>, constitué de la <u>répétition du motif de l'intervalle</u><math>\;\left] -\pi\, , \, \pi \right]</math>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase }}répété <math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \nearrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} > 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 > 0\;</math>» ou <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase répété }}<math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \searrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} < 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 < 0\;</math>», <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)\;</math>» et celui avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,-\dot{\theta}_0 > 0 \right)\;</math>» <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, le portrait de phase avec C.I. «<math>\;\color{transparent}{\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)}\;</math>» }}étant <u>antisymétriques</u> l'un de l'autre, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>maxima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre stable</u> <ref name="équilibre stable du P.P." /> «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres stables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» ;<br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}\;</math>»<math>\big)\;</math> alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big)</math>.</ref> et <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>minima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre instable</u> <ref name="équilibre instable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessus de ce dernier.</ref> «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;</math> <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, les minima de<math>\;\color{transparent}{\vert \dot{\theta} \vert}\;</math>obtenus pour les positions d’équilibre instable «<math>\;\color{transparent}{\theta_{\text{éq. inst.}} =}</math> }}<math>\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres instables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = -\left( 2\;p' + 1 \right)\, \pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big[</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big]\;</math>.</ref>. == « Généralisation » à tout « solide » : « théorème de la variation de l’énergie mécanique » et la forme locale associée « le théorème de la puissance mécanique », application au cas d’un solide amorti == {{Al|5}}Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à la généralisation à tout système de points matériels ou continu de matière « indéformable » <ref name="solide au sens de la mécanique" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à }}la généralisation aux systèmes de points matériels ou continus de matière « déformables » sera faite dans le chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Lois_de_l'énergie_cinétique_pour_un_système_déformable_de_points_matériels#«_En_complément_»,_théorème_de_la_variation_de_l’énergie_mécanique_appliqué_à_un_système_de_matière_déformable_dans_le_champ_des_forces_extérieures_et_intérieures_conservatives_et_sa_forme_locale_«_le_théorème_de_la_puissance_mécanique_»|en complément : théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un système de matière déformable dans le champ des forces extérieures et intérieures conservatives et sa forme locale le théorème de la puissance mécanique]] » du chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. === Théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s’écrivant «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\bullet\;</math>celles qui sont conservatives <math>\,\big(</math>lesquelles « dérivent » d’une énergie potentielle<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{ransparent}{\bullet}\;</math>}}dont le travail pendant cette durée finie est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées }}<math>\bullet\;</math>celles qui sont non conservatives <ref name="non conservatives"> Ou, si elles sont conservatives, dont on ne considère pas le caractère « conservatif ».</ref> dont le travail pendant cette durée finie <br>{{Al|12}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>celles qui sont non conservatives dont }}est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}d'où «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou, avec «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, }}<math>\big(U_{\text{ext}}\,</math> étant l'énergie potentielle dont dérivent les forces conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, <math>\color{ransparent}{\big(}</math>}}définie à une constante additive près précisée par choix de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}<math>\Rightarrow</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» d’où la réécriture du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « solide <math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\left( \mathcal{S} \right)} + U_{\text{ext}} \right] = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» où on reconnaît dans le 1^er membre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}la variation de l’énergie mécanique «<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t) + U_{\text{ext}}\!(t)\;</math>» du solide «<math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le champ des forces conservatives sur la durée <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> dans le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où dans le champ des forces conservatives }}référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen d'où, finalement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}le lien entre la variation de l'énergie mécanique du « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;\Delta E_m = E_{m,\,\mathcal{F}} - E_{m,\,\mathcal{I}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» le lien }}le travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> sur cette même durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}«<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» applicable à un solide dans un référentiel d’étude galiléen, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}l'énoncé du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie dans un référentiel galiléen <ref> Ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. sous la forme où il existe des forces extérieures non conservatives dissipatives mais, comme le cas où toutes les forces extérieures travaillant sont conservatives est clairement explicité <math>\,\big(</math>sous la forme de la conservation de l’énergie mécanique du solide<math>\big)</math>, le cas où il existe des forces extérieures travaillant et non conservatives <math>\,\big(</math>comme des forces de frottement<math>\big)\,</math> s’appliquant à un solide peut difficilement être ignoré d'où l'ajout du théorème sous sa forme la plus générale <math>\;\ldots</math></ref>. : {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}<math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <math>\,K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation «<math>\;\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» }}égale au travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale au travail }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire dans un référentiel galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique }}se déduit aisément de sa forme sur une durée finie soit {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}conservatives <math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}<math>K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> <math>\color{transarent}{K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)}\,</math> l'énergie cinétique }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation élementaire«<math>\;d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t)\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» }}égale au travail élémentaire des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» égale au travail }}appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;d E_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide }}est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée finie ou élémentaire se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>». === Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de la puissance mécanique est la forme locale associée à la forme intégrée <ref name="forme intégrée de forme locale" /> “ théorème de la variation de l'énergie mécanique sur une durée finie ou élémentaire ” ; {{Al|5}}pour obtenir cette forme locale on écrit le théorème de la variation de l’énergie mécanique d’un solide dans le champ des forces extérieures conservatives entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math><ref> C.-à-d. la forme élémentaire du théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un solide.</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on écrit }}«<math>\;dE_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\,</math> dans un référentiel galiléen » puis, <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on divise les deux membres par <math>\,dt\,</math> soit «<math>\;\dfrac{dE_m}{dt} = \dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{dE_m}{dt}\;</math>» est la dérivée temporelle de l’énergie mécanique du solide dans le champ des forces extérieures conservatives définissant <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}la puissance mécanique du solide à l'instant <math>\,t\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives, notée «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» la puissance instantanée développée, à l'instant <math>\,t</math>, par les forces extérieures non conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}appliquées au solide notée «<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on obtient «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» d'où l'énoncé du théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen : {{Théorème|titre=Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide »|contenu = {{Al|5}}La puissance mécanique à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> <math>\big[</math>avec, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie mécanique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{ext}}(t)}\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces }}conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math>» l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique }}est égale à la puissance instantanée développée par les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique est égale à }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> au même instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide à un instant <math>\,t\,</math> quelconque se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}c.-à-d., après intégration, « la conservation de l’énergie mécanique du solide précédemment défini ». === Application au cas d’un solide amorti === {{Al|5}}Parmi les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées à un solide et travaillant, « les plus fréquentes sont dissipatives » <ref> Mais elles peuvent aussi être motrices par exemple, si nous souhaitons que les oscillations d’un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ou d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] perdurent alors qu’existent naturellement des frottements {{Nobr|<math>\,\big(</math>même}} minimes<math>\big)</math>, il est nécessaire de les entretenir à l’aide d’une force extérieure motrice compensant les forces de frottement, cette force motrice étant alors usuellement non conservative tout comme le sont les forces de frottement.</ref> comme les forces de frottement fluide <math>\,\big(</math>ou solide<math>\big)</math> ; {{Al|5}}si les seules forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> travaillant sont des forces de frottement s'exerçant sur un solide en mouvement dans un référentiel galiléen, <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces }}conservatives <ref name="théorème de la puissance mécanique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_la_puissance_mécanique_appliqué_à_un_«_solide_»|théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}s’écrivant «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{frott}}\!(t) < 0\;</math>» dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}l'énergie mécanique de ce solide «<math>\;E_m(t) \searrow\,</math> au sens strict » avec <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}</math> <math>\big(</math>il est qualifié d'« amorti »<math>\big)</math>. ==== Cas particulier du pendule de torsion amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] dont la photographie est dans un « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|paragraphe plus haut dans ce chapitre]] » mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}avec les masselottes remplacées par des ailettes comme présenté dans le schéma de vue de dessus de la « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|remarque du paragraphe précité]] », <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d'un fil et sa conservation en absence de frotemment]] (2^ème exemple) » plus haut dans ce chapitre dans lequel <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> doit être remplacée par <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})</math>.</ref> dans le référentiel <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « }}<math>\big\{</math>avec <math>\,U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> la position d'équilibre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « <math>\color{transparent}{\big\{}</math>avec <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2}\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence }}du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big\}\,</math> {{Al|5}}aux deux couples extérieurs de torsion conservatifs s'exerçant sur le solide « tige + ailettes » et « dérivant » de l'énergie potentielle de ce dernier dans le champ de torsion des deux fils, à savoir «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) =</math> <math>\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <math>\;\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre du solide <math>\;\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big)\;</math><ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d'un fil et sa conservation en absence de frottement]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, il convient d'ajouter {{Al|5}}le « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Couple_de_frottement_fluide_linéaire_agissant_sur_le_pendule_par_l’intermédiaire_des_ailettes|couple de frottement fluide linéaire agissant sur le pendule par l'intermédiaire des ailettes]] » dont le moment scalaire relativement à l'axe <math>\;\Delta_C\;</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C} = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» établi au chap.<math>7</math> de la leçon « Mécanique 2 (PCSI) » <math>\;\big[H\;</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frottent les ailettes<math>\big]\;</math> montre qu'il est non conservatif <ref name="raison du caractère non conservatif"> En effet pour que ce couple soit conservatif il faudrait que son moment scalaire ne dépende que de <math>\;\theta\;</math> ou soit constant mais en aucun cas dépendant de <math>\;\dot{\theta}</math>.</ref>, la puissance du couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\;t</math>, selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant «<math>\;E_m(t) = K(t) + U_{\text{tors}}\!\left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2\!(t) + \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2}\!(t) - C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d'un fil et sa conservation en absence de frottement]] » plus haut dans ce chapitre en remplaçant « solide + masselottes » par « solide + ailettes ».</ref> à l'instant <math>\;t\;</math> dans le référentiel d'étude <math>\;\mathcal{R}</math>, <math>\;\big[J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;</math> étant le moment d'inertie du solide « tige + ailettes » relativement à l'axe commun <math>\;\Delta_C\;</math> des deux fils <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /><math>\big]\;</math> on en déduit aisément, dans <math>\;\mathcal{R}\;</math> et à l'instant <math>\;t</math>, la puissance mécanique du solide « tige + ailettes » dans le champ de torsion des fils en formant <math>\;\dot{E}_m(t) = \dfrac{d E_m}{dt}(t)\;</math> puis {{Al|5}}l’application du théorème de la puissance mécanique au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> nous conduit à «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» ou «<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» soit encore, {{Al|5}}en explicitant la dérivée temporelle de l’énergie mécanique puis en divisant par «<math>\;\dot{\theta}\!(t)\;</math>», l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon «Mécanique 2 (PCSI)» à savoir <center>«<math>\;J_{\Delta_C}\!\left( \text{tige} + \text{ailettes} \right)\;\ddot{\theta}(t) + H\;\dot{\theta}(t) + 2\;C\;\theta(t) = 2\;C\;\theta_1\;</math>».</center> ==== Cas particulier du pendule pesant à un degré de liberté amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] à un degré de liberté du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre avec des frottements fluides linéaires comme présenté dans la vue de profil de la remarque du paragraphe précité, {{Al|5}}à la force extérieure «<math>\;m\;\vec{g}\;</math>», conservative, s'exerçant sur le P.P.A. <ref name="P.P.A." /> et « dérivant » de l'énergie potentielle de pesanteur de ce dernier, à savoir «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) =</math> <math>m\;g\;\mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos(\theta) \right]\;</math>» <math>\;\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre stable du solide <math>\;\theta_{\text{éq. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P." /><math>\big)\;</math><ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, il convient d'ajouter {{Al|5}}les forces de frottement fluide linéaire dont le moment scalaire relativement à l'axe <math>\;\Delta_O\;</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t) = -H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» a été établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « Mécanique 2 (PCSI) » <math>\;\big[H\;</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du pendule, de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel il frotte<math>\big]\;</math> montre que ces forces de frottement est un système non conservatif <ref name="raison du caractère non conservatif" />, la puissance de ces forces de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\;t</math>, selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right] =</math> <math>\mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t)\;\dot{\theta}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}l'énergie mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> étant «<math>\;E_m(t) = K(t) + U_{\text{pes}}\!\left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> à l'instant <math>\;t\;</math> dans le référentiel d'étude <math>\;\mathcal{R}</math>, <math>\;\big[J_{\Delta_O}\;</math> étant le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> relativement à son axe <math>\;\Delta_O\;</math> de rotation <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /><math>\big]\;</math> on en déduit aisément, dans <math>\;\mathcal{R}\;</math> et à l'instant <math>\;t</math>, la puissance mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en formant <math>\;\dot{E}_m(t) = \dfrac{d E_m}{dt}(t)\;</math> puis {{Al|5}}l’application du théorème de la puissance mécanique au P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> nous conduit à «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right]\;</math>» ou «<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» soit encore, {{Al|5}}en explicitant la dérivée temporelle de l’énergie mécanique puis en divisant par «<math>\;\dot{\theta}\!(t)\;</math>», l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon «Mécanique 2 (PCSI)» à savoir <center>«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) + H\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>».</center> == Notes et références == <references /> {{Bas de page | idfaculté = physique | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie|Approche énergét. du mouv. d'un sol. en rotat. autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels|Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels]] }} avmv8htnquxvr5d8pbjlff1ohcadob4 987939 987938 2026-10-31T13:55:23Z Phl7605 31541 /* Cas particulier du pendule de torsion amorti par frottement fluide linéaire */ 987939 wikitext text/x-wiki {{Chapitre | idfaculté = physique | numéro = 12 | niveau = 14 | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie/]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels/]] }} <center>Ce chapitre est traité dans le cadre de la dynamique newtonienne avec ajout de quelques éléments de dynamique relativiste.</center> == Théorème de l'énergie cinétique d’un système de matière, cas d’un solide en rotation autour d’un axe fixe == {{Al|5}}Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}est évidemment à connaître comme forme intégrée de la forme locale <ref name="forme intégrée de forme locale"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Lois_de_la_puissance_et_de_l'énergie_cinétiques#Différence_entre_«_forme_locale_de_la_dynamique_»_et_«_forme_intégrée_associée_à_cette_forme_locale_»|différence entre forme locale de la dynamique et forme intégrée associée à cette forme locale]] » du chap.<math>15</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> « théorème de la puissance <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}cinétique d'un système de matière » laquelle est inscrite explicitement dans le programme <math>\;\ldots</math> === Définition du travail du système des forces extérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque"> Par « système de matière quelconque » il faut entendre « système fermé discret de points matériels ou continu de matière » « déformable ou non ».</ref> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1"> A priori <math>\,N\,</math> pourrait être égal à <math>\,1\,</math> mais ce ne serait plus un système de points matériels mais un simple point matériel.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes"> C.-à-d. l’ensemble des paramètres de position et de vitesse de tous les points à l'instant de définition de l'état, tous ces paramètres permettant d’y décrire le système.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> entre }}l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Expression_du_travail_élémentaire_de_la_force_dont_le_point_d’application_subit_le_vecteur_déplacement_élémentaire_correspondant_à_la_durée_élémentaire_de_développement_de_sa_puissance|expression du travail élémentaire de la force dont le point d'application subit le vecteur déplacement élémentaire correspondant à la durée élémentaire de développement de sa puissance]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - bis"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="infiniment proches"> Instants infiniment proches.</ref>, son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité volumique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance volumique <math>\,\mathcal{P}_{\text{vol},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t)</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité surfacique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance surfacique <math>\,\mathcal{P}_{\text{surf},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) =</math>}} <math>\sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité linéique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance linéique <math>\,\mathcal{P}_{\text{lin},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right] dt\;</math>».</ref>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« chaque point <math>\,\color{transparent}{M_i}\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> entre «<math>\;\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\;</math>» }}son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\,</math> étant aussi tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces extérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces extérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" />. === Définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est également présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2"> Pour l'existence de forces intérieures appliquées à un système, <math>\,N\,</math> doit être évidemment <math>\,\geqslant\,</math> à <math>\,2</math>.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes" /> et l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" /> sachant que <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir }}le système des forces intérieures s'exerçant sur le système discret fermé de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le système des forces intérieures }}est défini comme « l'ensemble des forces <math>\,\vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t)\,</math> que chaque point <math>\,M_j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, exerce sur chaque point <math>\,M_i,\;\;i \neq j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math>» <ref name="système de forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Forces,_principe_des_actions_réciproques#Système_des_forces_intérieures_s’exerçant_sur_un_système_de_points_matériels_fermé|système des forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math> entre les instants <math>\;t\;</math> et <math>\;t + dt\;</math> selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i} \right]\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - ter"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> dans lequel, chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \mu(M')\;d \mathcal{V}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bivolumique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}}{d \mathcal{V}_{M'}\;d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \sigma(M')\;d S_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\;</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bisurfacique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}}{d S_{M'}\;d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \lambda(M')\;d \mathit{l}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\;\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bilinéique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}}{d \mathit{l}_{M'}\;d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace dt\;</math>».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces intérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces intérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière" />. {{Al|5}}<u>Remarque 1</u> : Le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures }}peut aussi être défini à partir de la puissance instantanée développée par les forces intérieures s’exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="définition de la puissance développée par les forces intérieures"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Définition_2|définition]] (de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures peut aussi être défini }}selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - tetra"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : }}le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}s'obtenant en ajoutant tous les travaux élémentaires de <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}peut se calculer à partir de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> peut se calculer }}par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>». {{Al|5}}<u>Remarque 2</u> : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math><ref name="définition du référentiel Rj"> Le référentiel «<math>\;\mathcal{R}_j\;</math>» est le référentiel lié à <math>\,M_j\,</math> en translation par rapport au référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#cite_note-puissance_des_forces_intérieures_s'exerçant_sur_système_continu_de_matière_-_ter-55|⁵⁵]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> dans le référentiel <math>\,\color{transparent}{\mathcal{R}}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}_{\text{int}}(t)}</math> }}<math>= \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Autres_expressions_équivalentes|autres expressions équivalentes]] de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj"> Le point <math>\,M_i\,</math> décrivant dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_j</math> <math>\,\big[</math>lié à <math>\,M_j\,</math> et en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\big]\,</math> une trajectoire particulière <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}\;</math> entre les deux instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t)\big]\,</math> étant tangent à <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}</math>.</ref> ou <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures «}}<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right]\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : }}de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière" />{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" />{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" />. {{Al|5}}<u>Remarque 3</u> : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nulle <ref name="puissance des forces intérieures en général non nulle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (1^ère conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu"> Système discret de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique"> Le système se comporte donc comme un solide au sens de la mécanique.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures nulle pour un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (3^ème conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = 0\;\;\forall\;t\,</math> pour <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = 0\;\;\forall\;\left[ t\,,\,t + dt \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> le devient }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = 0\;\;\forall\;\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> ». === Théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Partant du théorème de la puissance cinétique appliqué, à l'instant <math>\,t</math>, à un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Énoncé|énoncé]] du théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> dans lequel <math>\,\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math> est la puissance cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{ext}}(t)\,</math> la puissance développée par les forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\,</math> celle développée par les forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la même date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on multiplie par <math>\,dt\,</math> pour obtenir la forme élémentaire du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir la forme élémentaire }}entre «<math>\;t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\;</math>» où <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> est la variation élémentaire d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{ext}}\,</math> le travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{int}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur le même <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on intègre entre <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique }}entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec <math>\,\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\,</math> variation d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\,</math> }}sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> le travail des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> le travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> celui des forces intérieures }}sur le même <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>. {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> étant nul quel que soit le mouvement du système » <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Définition_du_travail_du_système_des_forces_intérieures_appliquées_à_un_«_système_de_matière_»_entre_un_état_initial_et_un_état_final|définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un système de matière entre un état initial et un état final]] (remarque 3) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul }}<math>\Rightarrow</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide sous sa forme élémentaire ou <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide }}sur une durée finie : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière en translation » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière"> Système fermé discret fermé de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> en translation » <ref name="système en translation"> Un « système de matière en translation » ne se déformant pas peut aussi être qualifié de « solide » au sens de la mécanique.</ref>, tous les points ont le même vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> égal à celui du C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> <math>\,G\,</math> du système, d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\!G}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <ref name="signification du travail élémentaire développé par les forces extérieures appliquées à un système en translation"> Dans cette 3^ème expression «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» est aussi « le travail élémentaire qui serait développé, sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\,t + dt \right],</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>, par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans <math>\,\mathcal{R}\;</math>» <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», ce dernier s'obtenant par application du théorème du mouvement du C.D.I. <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Principe_fondamental_de_la_dynamique_et_théorème_de_la_résultante_cinétique#Énoncé_du_théorème_(dynamique_newtonienne)|énoncé du théorème (dynamique newtonienne)]] du mouvement du C.D.I. d'un système » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> correspondant aussi à l'application de la r.f.d.n. <math>\,\big(</math>relation fondamentale de la dynamique newtonienne<math>\big)\,</math> au point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>» sur lequel s'exercerait la résultante dynamique<math>\big\}</math>.</ref> dans laquelle «<math>\;\vec{F}_{\text{ext}}(t)\;</math> est la résultante <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}«}}dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» <ref> Voir les paragraphes « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_en_translation_»|cas d'un système de matière en translation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » et « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissancce développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces intérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{int},\,\text{syst. en transl.}} = 0\;</math>» <ref name="système en translation" />{{,}} <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>de la variation élémentaire de l'énergie cinétique du système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en transl.}}\;</math>» avec «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="signification de l'énergie cinétique d'un système en translation"> Dans cette 2^ème expression «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» est aussi « l'énergie cinétique newtonienne du point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans {{Nobr|<math>\,\mathcal{R}\,</math>»}} <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», tous les points du système en translation ayant même vitesse que le C.D.I. <math>\,G\big\}</math>.</ref> l'énergie cinétique <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, dans le cadre de la cinétique newtonienne <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en translation"> Voir le paragraphe « énergie cinétique dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Cas_d'un_système_en_translation|cas d'un système en translation]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique }}appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" />{{, }} <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque dans un référentiel galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> nous obtenons : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un référentiel <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière en translation <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> étant le C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> et <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =}</math> }}la résultante dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\,</math> ou <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste"> Applicable sous cette forme dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste.</ref> avec <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="système fermé de matière" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système en translation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =</math> <math>K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail effectué par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail effectué par la résultante dynamique }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <br>{{Al|208}}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Ce théorème <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais il doit bien sûr être connu <ref> Sans doute ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. car on considère usuellement un système de matière en translation comme un point matériel <math>\,\big(</math>le C.D.I. <math>\,G\,</math> du système<math>\big)\,</math> sur lequel s'exerce la résultante dynamique du système et, selon ce point de vue, le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un système de matière en translation n'est rien d'autre que le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un point matériel, lequel est, quant à lui, au programme <math>\;\ldots</math></ref>. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}<u>Préliminaire</u> : Un « système <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » peut, a priori, se déformer <ref name="système en rotation autour d'un axe"> Par exemple, en se dilatant, c.-à-d. que chaque point du système, en plus de sa rotation autour d'un axe fixe, s'éloigne radialement de cet axe <math>\,\big(</math>la vitesse d'éloignement pouvant être différente d'un point à un autre<math>\big)\,</math> mais dans ce cas il ne s'agit pas d'une rotation « pure » <math>\;\ldots</math> <br>{{Al|3}}Pour maintenir une même vitesse angulaire à un instant <math>\,t\,</math> pour tous les points d'un « système déformable », il faut que le mouvement orthoradial de chacun des points soit corrélé au mouvement radial correspondant, avec absence de mouvement axial, c.-à-d. que, pour deux points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> tels que la droite <math>\,M_iM_j\,</math> recoupe l'axe <math>\,\Delta\,</math> perpendiculairement en <math>\,H_{i,\,j}</math>, <math>\,\big[</math>les points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> ayant donc même abscisse angulaire <math>\,\theta_{i,\,j}(t)\big]\,</math> on ait <math>\,\dot{\theta}_{i,\,j}(t) = \overline{\Omega}(t)</math> <math>\,\big[</math>donc indépendant de <math>\,\left( i\,,\, j \right)\big]\,</math> pour tout instant <math>\,t\,</math> et pour tout couple <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> dont les éléments ont même abscisse angulaire, ces conditions étant très contraignantes sont quasiment jamais réalisées naturellement <math>\;\ldots</math></ref>, toutefois, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Préliminaire : un « système <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>fermé<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » }}il est, en pratique, indéformable et est alors qualifié de « solide » au sens de la mécanique ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Préliminaire : }}l’exposé ci-dessous s'applique à un système discret <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de points matériels ou un système continu <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}<u>Exposé</u> : Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière" /> indéformable, en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe <math>\,\Delta</math>, fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen », <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}tous les points ont le même vecteur rotation instantanée <math>\,\vec{\Omega}(t) = \overline{\Omega}(t)\;\vec{u}_{\Delta}\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\big[\vec{u}_{\Delta}\,</math> étant le vecteur unitaire orientant l'axe de rotation <math>\,\Delta\,</math> et <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\big[}</math>}}autour de cet axe de rotation <math>\,\Delta\big]\,</math> d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe"> Expression ne nécessitant pas que l'axe <math>\,\Delta\,</math> soit fixe, la fixité de l'axe dans un référentiel intervenant quand ce dernier est galiléen et quand on utilise l'un des théorèmes fondamentaux de la dynamique de rotation des systèmes <math>\,\big\{</math>par exemple le théorème de l'énergie cinétique établi dans ce paragraphe mais le traavail élémentaire déveeloppé par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» ne nécessite pas que <math>\,\Delta\,</math> soit fixe<math>\big\}</math>.</ref>{{,}} <ref name="travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur un système en rotation"> Voir le paragraphe « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> {{Nobr|«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)</math>}} <math>= \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;</math>» et le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\delta W\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right] = \mathcal{P}\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right]\;dt\;</math>» puis, en faisant la somme membre à membre de façon à définir le travail élémentaire du sytème des forces extérieures s'exerçant sur le système en rotation «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)\;dt\;</math>».</ref> où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> est le moment <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» ou, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>du travail élémentaire }}avec «<math>\;\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta\;</math>» dans lequel <math>\,\theta(t)\,</math> est l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, la réécriture <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>,«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>de la variation de l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}}\;</math>» avec, l'énergie cinétique, à l'instant <math>\,t</math>, de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le cadre de la cinétique newtonienne «<math>\;K_{\text{syst. en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en rotation autour d'un axe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d’un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d’un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> avec «<math>\;J_\Delta\,</math> le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}relativement à <math>\,\Delta\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe"> Voir la notion de moment d'inertie d'un système discret ou continu dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Application_à_un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe#Application_au_cas_d'un_«_système_fermé_de_matière_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe_«_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|application d'un système fermé de matière en rotation autour d'un axe Δ fixe quelconque dans un référentiel d'étuide galiléen]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> d'où, en cinétique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> appliqué à un solide <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_solide_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d'un système }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> avec «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» et «<math>\;\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <math>\,\overline{\Omega}(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}<math>= \dot{\theta}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> encore égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>avec <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> et <math>\,\theta(t)\,</math> l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" />, sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail du moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail du }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[\theta(t)\,</math> étant l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation est égale au travail du «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[\theta}\,</math> étant l'abscisse angulaire }}à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> étant le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = 2\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)}\;</math>» <math>\,\big[</math>}}<math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] <math>\,\big(</math>photographié ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_(non_amorti)|mise en équation différentielle du mouvement du pendule de torsion (non amorti)]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Théorème_de_la_puissance_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_autour_d'un_axe_Δ_fixe_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe dans un référentiel d'étude galiléen]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. {{Al|5}}Ci-contre le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec deux fils de torsion identiques de même constante de torsion «<math>\;C\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec }}positions de masselottes identiques <math>\,\big(</math>sauf pour la couleur<math>\big)\,</math> de part et d'autre du point <math>\,C\,</math><ref name="distinction entre point d'attache des fils sur la tige et constante de torsion des fils"> On accepte la même notation pour le point d'attache des deux fils sur la tige et la constante de torsion de ces derniers tant qu'il n'y a pas d'ambiguïté <math>\,\big(</math>ce qui ne devrait jamais arriver compte-tenu du fait que ces deux grandeurs sont de nature différente<math>\big)</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec positions de masselottes identiques }}<math>\,\big(C\,</math> point d’attache des deux fils de torsion sur la tige<math>\big)</math> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre <math>\,\big(</math>en absence de masselottes<math>\big)\,</math> diffère du « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] » de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici l'extrémité supérieure <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil de torsion supérieur est mobile au lieu d'être fixe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur étant dans les deux fixe et <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici la torsion initiale est fournie par rotation propre de <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> d'un angle «<math>\;2\,\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>repéré sur le cercle gradué lié à <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}</math>, position de référence du cercle gradué<math>\big)\,</math> <math>\Rightarrow</math> en pratique, après quelques oscillations, la tige <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}acquiert la position d'équilibre repérée par l'angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>voir vérification ci-dessous<math>\big)\,</math> alors que <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] la torsion initiale est fournie par rotation de la tige d'un angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>également repéré <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>dans le pendule du chap.7 }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}\big)</math>, la position d'équilibre de la tige étant repérée par l'angle nul ; {{Al|5}}<u>vérification de la position d'équilibre de la tige dans le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}orientant les deux fils de torsion du bas vers le haut, quand la tige acquiert la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion supérieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche"> Une hélice est « droite » si le point tourne sur la gauche <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique direct ou encore dans le sens antihoraire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée et <br>{{Al|31}}elle est « gauche » si le point tourne sur la droite <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique indirect ou encore dans le sens horaire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée <br>{{Al|3}}<math>\,\big[</math>revoir aussi la distinction « hélices gauche ou droite » dans le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Mouvement_de_particules_chargées_dans_des_champs_électrique_et_magnétique_:_Cas_particulier_d'un_champ_magnétostatique_uniforme#Nature_hélicoïdale_uniforme_du_mouvement_de_la_particule|nature hélicoïdale uniforme du mouvement de la particule]] » du chap.<math>24</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> d'un angle «<math>\;\theta_1 - 2\;\theta_1 = -\theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil"> L'angle de torsion du fil qui intervient dans le vecteur moment du couple de torsion est l'angle que fait l'extrémité mobile relativement à l'extrémité maintenue fixe même si cette extrémité est fixée avec torsion initiale comme c'est le cas pour le fil supérieur <math>\,\big\{</math>on peut vérifier que cette définition correspond bien au schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » car {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{A_0B_0}\;</math>»}} est lié à l'extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil supérieur et «<math>\;\overrightarrow{AB}\;</math>» à l’extrémité mobile <math>\,C\,</math> et il en est de même pour l'éventuel fil de torsion inférieur<math>\big\}</math>.</ref> par rapport à son extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion supérieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} = -C \left( -\theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion inférieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche" /> d’un angle «<math>\;\theta_1 - 0 = \theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil" /> par rapport à l’extrémité <math>\;O_{\text{inf}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion inférieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = -C \left( \theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = -C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur la tige vérifiant «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} + \vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = \vec{0}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur }}la tige est effectivement en équilibre dans cette position <math>\;\ldots</math> {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <math>\,\big\{</math>ensemble solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC"> L'axe <math>\,\Delta_C\,</math> est le support des fils de torsion.</ref> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemb}}le solide étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles"> Repérée par rapport à la position de l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemble solide étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des masselottes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des masselottes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des masselottes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur"> L'angle de torsion du fil supérieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 2\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation"> Il s'agit de l'application de la puissance instantanée développée par un système de forces extérieures sur un solide en rotation autour d'un axe fixe <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d'un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> quand le système de forces extérieures est équivalent à un couple <math>\,\big[</math>c.-à-d. un système dont la résultante est nulle et dont le moment résultant scalaire relativement à l'axe de rotation définit le moment scalaire du couple<math>\big]</math>.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur"> L'angle de torsion du fil inférieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 0 = \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cin%C3%A9tique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d'un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;</math> est le moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et masselottes » en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_C\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre"> Ce qui suppose que <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> est non identiquement nulle <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\theta(t)\,</math> n'est pas une constante c.-à-d. que le solide n'est pas à sa position d'équilibre.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à droite «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta_1\;</math>», équation différentielle linéaire <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants sans terme du 1^er ordre hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_non_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition non énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] », la présence d'un 2^nd membre constant signifiant que le paramètre caractérisant l'oscillateur dans l'espace n'est pas nul à l'équilibre.</ref> de rotation ; {{Al|5}}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Conséquence_«_le_pendule_de_torsion_(non_amorti)_est_un_oscillateur_harmonique_non_amorti_de_rotation_»|conséquence : le pendule de torsion (non amorti) est un oscillateur harmonique non amorti de rotation]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » ; [[File:Pendule de torsion amorti - vue de dessus.png|thumb|300px|Vue de dessus d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti par substitution d'ailettes planes aux masselottes fixées sur la tige <math>\,\big(</math>les fils de torsion supérieur et inférieur <math>\,\perp\,</math> au plan de la figure ne peuvent y être représentés<math>\big)</math>]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> du }}<math>\big(</math>voir vue de dessus partielle représentée ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre étant écarté initialement comme celui de début de paragraphe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, le pendule ci-contre étant écarté initialement }}la tige acquiert donc une position d'équilibre repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}l'ensemble « tige et ailettes » étant un solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC" /> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant }}le solide est, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant le solide est, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}les actions extérieures sont <math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des ailettes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{ailettte}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des ailettes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des ailettes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{ailette}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu dans lequel se déplace le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] exercent sur les ailettes, modélisées par un <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> }}couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion"> voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Couple_de_frottement_fluide_linéaire_agissant_sur_le_pendule_par_l’intermédiaire_des_ailettes|couple de frottement fluide linéaire agissant sur le pendule par l'intermédiaire des ailettes]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple }}<math>\big[H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}et du fluide sur lequel frottent les ailettes<math>\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide la puissance instantanée }}selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\,</math> est le moment d'inertie du solide « tige + ailettes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et ailettes » en rotation autour de <math>\,\Delta_C\,</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t) - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t) - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1 - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étudié «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta_1\;</math>», équation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}différentielle linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique" /> de rotation ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Loi_horaire_de_position_angulaire_du_pendule_de_torsion_amorti|loi horaire de position angulaire du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ». == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule pesant non amorti à un degré de liberté - forces extérieures.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté <math>\,\big(</math>schématisé ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_non_amorti_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_du_moment_cinétique_scalaire|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant non amorti (à un degré de liberté) par application du théorème du moment cinétique scalaire]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />. {{Al|5}}Ci-contre schéma de face du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] idéale <ref name="liaison idéale"> C.-à-d. dans laquelle on peut négliger les frottements solides.</ref> du solide en rotation autour de l’axe horizontal <math>\,\Delta_O\;</math><ref name="liaison pivot du pendule"> Pour plus de détails voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Présentation_du_pendule_pesant_(non_amorti)_«_P.P.(N.A.)_»|présentation du pendule pesant (non amorti) P.P.(N.A.)]] (liaison pivot avec le point O) » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Non Amorti.</ref> à un degré de liberté ayant un mouvement de rotation imposé par la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] du solide avec l'axe <math>\,\Delta_O</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté }}son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,O</math>, d'axe <math>\,\Delta_O\,</math> orienté par le vecteur unitaire «<math>\;\vec{u}_{\Delta_O}\;</math>» et <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,\color{transparent}{O}</math>, }}de rayon «<math>\;\mathfrak{a}\;</math>» avec, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. }}<math>G\,</math> repéré par son abscisse angulaire «<math>\;\theta_G(t) = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\overrightarrow{OG}(t) \right\rbrace} = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\vec{u}_r(t) \right\rbrace}\;</math>» <ref name="noté theta"> Noté «<math>\;\theta(t)\;</math>» par la suite en absence d'ambiguïté.</ref> ; {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = \left[ \overrightarrow{OG}(t) \wedge m\;\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_O} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids"> Le moment vectoriel du poids par rapport à <math>\,O\,</math> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)\;</math>» a établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_liaison_sphérique_et_avec_les_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b),_établissement_de_la_nature_plane_du_mouvement_du_C.D.I._G_du_P.P.(N.A.)|dans le cas d'une liaison sphérique et avec les C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), établissement de la nature plane du mouvement du C.D.I. G du P.P.(N.A.)]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] », soit «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\varphi_G}(t)\;</math>» avec <math>\,\vec{u}_{\varphi_G}\,</math> s'identifiant à <math>\,\vec{u}_{\Delta_O}</math>. <br>{{Al|3}}On pouvait aussi déterminer directement le moment scalaire du poids, le schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_«_liaison_pivot_»_ou_d’une_«_liaison_sphérique_avec_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b)_»,_nouveau_repérage_adapté_à_la_nature_rotatoire_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_à_un_degré_de_liberté|dans le cas d'une liaison pivot ou d'une liaison sphérique avec C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), nouveau repérage adapté à la nature rotatoire du mouvement du P.P.(N.A.) à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » étant fait avec le paramètre de position angulaire <math>\,\theta > 0</math>, on observe que le poids tend à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,-\,</math> avec un bras de levier <math>\,\big(</math>distance orthogonale séparant l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du support de <math>\,m\;\vec{g}\big)\,</math> égal à <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où, dans le cas où <math>\,\theta\,</math> est <math>\,> 0</math>, {{Nobr|«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)</math>}} <math>= - \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>» <math>\,\Big\{</math>le résultat est indépendant du signe de <math>\,\theta\,</math> mais si le schéma était fait avec <math>\,\theta < 0</math>, on observerait que le poids tendrait à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,+\,</math> avec un bras de levier <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = + \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = m\;g\;\left[ -\mathfrak{a}\; \sin(\theta) \right] = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>», soit effectivement le même résultat <math>\,\big[</math>avec toutefois une possibilité d'erreur si on oubliait que <math>\,\theta < 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert = -\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\big]\Big\}</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_particulier_où_M_est_en_mouvement_circulaire_d'axe_Δ_et_de_vitesse_angulaire_instantanée_Ω(t)|cas particulier où M est en mouvement circulaire d'axe Δ et de vitesse angulaire instantanée Ω(t)]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> de la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I."> Conditions Initiales.</ref> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O"> On a établi dans la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#cite_note-réduction_à_deux_composantes_de_la_réaction_dans_ces_C.I.-18|¹⁸]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » que la réaction du point <math>\,O\,</math> dans l'hypothèse d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] sur le pendule lancé dans les C.I. <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\,</math> ou <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\,</math> s'écrirait <math>\,\vec{R}(t) =</math> <math>R_{\rho_G}(t)\;\vec{u}_{\rho_G}(t) + R_z(t)\;\vec{u}_z</math>, c.-à-d. que la réaction serait dans le plan vertical de lancement soit encore «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» ; <br>{{Al|3}}on établit de même <math>\,\big[</math>sans que cela ait été exposé dans le chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> que la réaction de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le pendule quels que soient les C.I. de lancement compatibles avec la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] s'écrit «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>».</ref> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul"> En effet la force étant <math>\,\perp\,</math> à l'axe par rapport auquel son moment scalaire est évalué est de bras de levier nul.</ref> auquel s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe"> Le couple étant de moment vectoriel <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta_O</math>.</ref> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée à la date <math>\,t\,</math> par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée développée à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|7}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}sans terme du 1^er ordre ; {{Al|5}}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique"> On appelle « [[w:Solution_de_forme_fermée|solution analytique]] » d'une équation différentielle, une expression mathématique <math>\,\big(</math>souvent dite « formule explicite »<math>\big)\,</math> pouvant s'obtenir par une combinaison d'opérations et de [[w:Fonction_de_référence|fonctions de référence]] <math>\,\big(</math>c.-à-d. fonctions affines, puissances, trigonométriques et exponentielles ainsi que leurs fonctions inverses sur un domaine de définition restreint pour lequel il y a bijection et même certaines solutions d'équations différentielles dites de référence<math>\big)</math>, les opérations étant l'addition, la soustraction, la multiplication, la division et l'extraction de racines.</ref> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’élongations_angulaires_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'élongations angulaires non petites]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il est nécessaire de procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="solution analytique dans le cas d'élongations petites"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Cas_particulier_des_«_petites_élongations_angulaires_»,_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_=_oscillateur_harmonique_(non_amorti)_approché_de_rotation,_période_des_«_petites_oscillations_»|cas particulier des petites élongations angulaires, pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) oscillateur harmonique (non amorti) approché de rotation, période des petites oscillations]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. [[File:Pendule pesant amorti à un degré de liberté - forces extérieures - bis.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures, <math>\,I\,</math> étant le point où la résultante des forces de frottement fluide peut être appliquée]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti <math>\,\big(</math>voir coupe partielle représentée ci-contre<math>\big)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire" /> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I." /> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O" /> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul" /> où s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe" /> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu où se déplace le [[w:Pendule_pesant|pendule]] exercent sur ce dernier, modélisées par <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}un couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_O}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti" />{{,}} <ref name="définition de H"> <math>\,H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]], de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frotte le solide.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Amorti.</ref> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0 - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right] - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_O}}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}avec terme linéaire du 1^er ordre ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique" /> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’amplitudes_initiales_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'amplitudes initiales non petites]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il faut procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique - bis"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » nécessitant néanmoins d'ajouter le terme d'amortissement <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A." />. == « En complément », caractère conservatif du couple de torsion, énergie potentielle de torsion et conservation de l’énergie mécanique du pendule de torsion (non amorti) dans le champ de torsion du fil == {{Al|5}}Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » ne sont pas explicités dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » }}il me semble souhaitable de le retenir <math>\,\big(</math>et bien sûr d’être capable de le retrouver<math>\big)</math>. === Caractère conservatif du couple de torsion === {{Al|5}}Le travail élémentaire d’un couple de torsion s’exerçant sur un solide, de vecteur moment «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t) = -C\;\alpha(t)\;\vec{u}_\Delta\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Expression_du_vecteur_moment_du_couple_de_torsion_exercé_par_le_fil_en_fonction_de_l'angle_de_torsion_«_α(t)_»,_notion_de_constante_de_torsion_«_C_»_du_fil_de_torsion|expression du vecteur moment du couple de torsion exercé par le fil de torsion α(t), notion de constante de torsion C du fil de torsion]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> lors d’une torsion élémentaire «<math>\;d \alpha\;</math>» <ref name="définition de Delta et alpha sur le fil de torsion"> <math>\,\Delta\,</math> étant la direction du fil de torsion orienté par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et «<math>\;\alpha\;</math>» l'angle de torsion algébrisé, défini au niveau de la liaison au solide dans le plan <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta\,</math> et orienté par <math>\,\vec{u}_\Delta</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion }}étant défini selon «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>», <math>\,\big[\overline{\Omega}(t)\,</math> étant la vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt}\;</math>», <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \alpha\;</math>»<math>\big]\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> soit finalement <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon }}«<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -C\;\alpha\; d \alpha\;</math>» correspondant à une différentielle de fonction <math>\Rightarrow</math> le <u>caractère conservatif du couple de torsion</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple"> Pour montrer qu’une force est conservative, on évalue son travail élémentaire en prenant un vecteur déplacement élémentaire quelconque <math>\,\overrightarrow{dM}\,</math> à partir du point d'application <math>\,M\,</math> de la force <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#2ème_définition_(équivalente)_d'une_force_«_conservative_»|2^ème définition (équivalente) d'une force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> ; <br>{{Al|3}}lorsqu'il s’agit d'un couple de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, il faut évaluer son travail élémentaire en envisageant une rotation élémentaire quelconque autour de n'importe quelle direction, le couple est alors conservatif si ce travail élémentaire est une différentielle de fonction mais <br>{{Al|3}}{{Transparent|lorsqu'il s'agit d'un couple }}dans le cas d’un couple de torsion de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, la seule direction autour de laquelle peut s’effectuer une rotation élémentaire est celle du fil c.-à-d. celle de <math>\,\vec{\Gamma}\,</math> et par suite la seule condition pour que le couple de torsion soit conservatif est que son travail élémentaire en considérant une rotation élémentaire autour de la direction du fil de torsion soit une différentielle de fonction ou encore que « le moment scalaire du couple de torsion par rapport au fil ne dépende que de l'angle de torsion <math>\,\alpha\;</math>» C.Q.E.R. <math>\,\big(</math>Ce Qui Est Réalisé<math>\big)</math>.</ref>. === Énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion === {{Al|5}}L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,U_{\text{tors}}\,</math> dont « dérive » le couple de torsion de vecteur moment <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}est définie par «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#1ère_définition_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|1^ère définition de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> c.-à-d. «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(\alpha)\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\,</math> ou <math>\,-C\;\alpha\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <math>\Leftrightarrow</math> «<math>\;\dfrac{dU_{\text{tors}}}{d \alpha} = C\;\alpha\;</math>» soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}en intégrant «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2 + cste\;</math>» ; choisissant la référence de l’énergie potentielle de torsion <math>\;U_{\text{tors}}(\alpha)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle"> C.-à-d. l'endroit où l'énergie potentielle est choisie nulle.</ref> <br>{{Al|7}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> en intégrant «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\alpha) = 2\; C\;\alpha^2 + cste}\;</math>» ; choisissant la référence }}quand le fil n’est pas tordu c.-à-d. <math>\,U_{\text{tors}}(0) = 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = 0</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}l'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d’un fil et sa conservation en absence de frottement === [[File:Pendule de torsion sans masselottes - actions exercées.png|thumb|500px|Schéma d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] représenté sans masselottes additives et avec fil inférieur sans torsion avec ajout des actions exercées sur la tige à l'instant <math>\;t</math>]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec un seul fil de torsion, l'autre fil étant sans torsion <math>\,\big(</math>voir schéma ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec un seul fil de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}la seule action extérieure de moment scalaire non nul par rapport à la direction <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}commune du fil de torsion et du fil sans torsion <math>\;\big(</math>orientée par le vecteur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> étant le couple « conservatif » de torsion <ref name="conservativité du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Caractère_conservatif_du_couple_de_torsion|caractère conservatif du couple de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}moment vectoriel «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}} = -C\;\alpha\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion /> auquel on associe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie potentielle de torsion du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre valant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;U_{\text{tors}}(t) =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion énergie potentielle de torsion }}<math>\,\dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_torsion_du_solide_relié_au_fil_de_torsion|énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}son énergie cinétique à la date <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{pend. tors.}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique }}<math>J_{CO_{\text{sup}}}\,</math> est le moment d'inertie du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] relativement à la <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique <math>\color{transparent}{J_{CO_{\text{sup}}}}\,</math> est }}direction du fil de torsion et du fil sans torsion <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à l'instant <math>\,t\,</math> selon «<math>\;E_m(t) = K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Propriétés_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|propriétés de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] (2^ème propriété) » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha_0 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\alpha(0) = \alpha_0\;</math> et <math>\,\dot{\alpha}(0) = 0\;</math>». [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]]]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige <math>\,\big(</math>voir photographie ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec deux fils de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}il y a deux actions extérieures s'exerçant sur le solide « tige + masselottes » de moment scalaire non nul par rapport à <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}la direction commune <math>\,\Delta_C\,</math> des deux fils de torsion <math>\,\big(</math>orientée par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}élémentaire du solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}prouve le <u>caractère conservatif du couple de torsion du fil supérieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}supérieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = -d U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta = -d U_{\text{tors. sup.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. sup.}}}{d \theta} = C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\,</math> qui s'intègre en <math>\,U_{\text{tors. sup.}}</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,= \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> et, en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. sup.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du solide à l'équilibre » c.-à-d. <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre"> Revoir l'explication rappelée dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans le chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil supérieur du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta_1 - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_1 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion"> Symboliquement l'énergie potentielle d'un solide dans le champ de torsion d'un fil de torsion s'obtient, à une constante additive près, par la moitié du produit de la constante de torsion du fil et du carré de l'angle de torsion, à l'instant <math>\;t</math>, du fil au point d'attache du solide.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation élémentaire du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\; \theta(t)\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et prouve le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<u>caractère conservatif du couple de torsion du fil inférieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}inférieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = -d U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\;\theta\;d \theta = -d U_{\text{tors. inf.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. inf.}}}{d \theta} = C\; \theta\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{tors. inf.}} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} + cste_2\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. inf.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position du solide à l'équilibre » c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil inférieur du solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2} + cste_2 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_2 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}finalement l'énergie potentielle globale de torsion du solide « tige + masselottes » <math>\,\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale }}s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = U_{\text{tors. sup.}}(\theta) + U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» ou, en simplifiant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale s'écrit }}«<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2\;</math>» <ref> En effet <math>\,\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + 2\;C\; \theta_1^{\,2} + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + C\; \theta_1^{\,2} = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2</math>.</ref>{{,}} <ref> Cette énergie potentielle de torsion du solide « tige + masselottes » est la même que celle que l'on obtiendrait avec un seul fil de torsion de constante de torsion <math>\,2\,C</math>, l'autre fil étant sans torsion avec la référence en la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>.</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule ci-dessus étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «<math>\;\color{transparent}{K_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#%Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torion par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique de l'ensemble tige + masselottes) » plus haut dans ce chapitre.</ref> avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule }}<math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion des deux fils définie, à l'instant <math>\,t\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie mécanique }}«<math>\;E_m(t) = K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}\! \left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\alpha\;</math>» dans le 1^er exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] ou <br>{{Al|57}}celui «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta - \theta_1 \right]^2 \,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du 2^ème exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|même]] paragraphe <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}étant parabolique, nous retrouvons la <u>2^ème définition d’un oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math>de rotation<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_(équivalente)_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition (équivalente) énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. <br>{{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> de son mouvement dans le 2^ème exemple du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}«<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2 = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>», <br>{{Al|58}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}les C.I. <ref name="C.I." /> étant «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}est donc une <u>ellipse décrite dans le sens horaire</u> <ref name="portrait de phase d'un socillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Tracé_du_portrait_de_phase_de_la_charge_du_condensateur_d'un_«_R_L_C_série_»_soumis_à_un_échelon_de_tension_suivant_le_cœfficient_d'amortissement|propriétés des portraits de phase de la charge du condensateur d'un RLC série soumis à un échelon de tension suivant le cœfficient d'amortissement]] (cas d'un circuit oscillant non amorti en vert) » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. == Conservation de l’énergie mécanique du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) dans le champ de pesanteur uniforme == === Énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant === {{Al|5}}Dans le cas d'un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref><math>\big)</math>, le poids du solide étant la seule action extérieure travaillant et ce dernier étant conservatif <ref name="poids d'un objet conservatif"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Établissement_du_caractère_«_conservatif_»_du_poids_d'un_point_matériel_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|établissement du caractère conservatif du poids d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, }}on lui associe l'énergie potentielle de pesanteur «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta)\;</math>» <ref name="énergie potentielle de pesanteur"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#«_Énergie_potentielle_de_pesanteur_d'un_point_matériel_»_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|énergie potentielle de pesanteur d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> déterminée en intégrant «<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = -dU_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> avec <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)\,</math> travail élémentaire du poids lors d'une rotation élémentaire d'angle <math>\,d \theta = \dot{\theta}(t)\;dt\,</math> autour de <math>\,\Delta_O\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe «<math>\;\color{transparent}{\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)}\,</math>}}<math>= \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;dt = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)\;dt = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;d \theta\;</math>» <ref name="travail élémentaire du poids du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (actions extérieures exercées sur le solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> d'où <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}<math>\,-dU_{\text{pes}} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\;d \theta\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{pes}}}{d \theta}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\,</math> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right) + cste\;</math>» <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}soit, en choisissant comme référence de l'énergie potentielle <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> « la position <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}d'équilibre stable de ce dernier <ref name="équilibre stable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessous de ce dernier.</ref> <math>\,\theta_{\text{éq. stable}} = 0\;</math>» d'où <math>\,U_{\text{pes}}(0) = 0\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}<math>\Rightarrow</math> <math>\,0 = -m\;g\;\mathfrak{a} + cste\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = m\;g\;\mathfrak{a}\,</math> d'où l'expression de <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}l'énergie potentielle de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> se réécrit selon <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta \right) \right]\;</math>» <ref> Pour trouver l'expression de l'énergie potentielle de pesanteur on peut aussi utiliser <math>\,\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = m\;g\;dz_G = -dU_{\text{pes}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{pes}} = -m\;g\;z_G + cste\,</math> sachant que <math>\,z_G = \mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right)\,</math> avec pour position d'équilibre stable <math>\,z_{G,\,\text{éq. stable}} = \mathfrak{a}</math> <math>\;\ldots</math></ref> <math>\,\big(</math>référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : la position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement === {{Al|5}}Considérant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A." /><math>\big)</math>, l'énergie potentielle de pesanteur étant «<math>\;U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right] = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\,</math> avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> <math>\,\theta_{\text{équi. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P."/> » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> et <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie cinétique du solide constituant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique du solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> dans laquelle <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie cinétique}}«<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du solide par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie mécanique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> dans le champ de pesanteur «<math>\;E_m\!(t) = K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) + U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right]</math> <br>{{Al|23}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie mécanique du P.P.N.A. dans le champ de pesanteur «<math>\;\color{transparent}{E_m\!(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{P.P.N.A.}}(t) + U_{\text{pes}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P..P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\,\left[ 1 - \cos(\theta) \right]\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}n'étant pas parabolique <math>\,\big(</math>mais sinusoïdal<math>\big)</math>, nous pouvons affirmer que <u>le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> n'est pas un oscillateur harmonique</u> <math>\,\big(</math>quand il est en situation d'osciller<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <math>\blacktriangleright\;</math>« oscillatoire pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'énergie mécanique initiale du P.P.N.A. vaut «<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^2 + m\;g\; \mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta_0 \right) \right]\;</math>».</ref> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. est }}<math>\blacktriangleright\;</math>« révolutive pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="étude du mouvement d'un P.P.N.A. par diagramme d'énergies"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Étude_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_dans_le_cas_général_des_élongations_angulaires_non_petites_par_diagramme_énergétique|étude du mouvement du P.P.(N.A.) dans le cas général des élongations angulaires non petites par diagramme énergétique]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}de démontrer, avec utilisation simultanée de l'intégrale 1^ère énergétique <ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'intégrale 1^ère énergétique du P.P.N.A. s'écrit «<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^{\,2} + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet de démontrer, }}la nature « périodique <math>\,\big(</math>oscillatoire ou révolutive<math>\big)\;</math>» ainsi que <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}d’établir l’expression de la période sous forme intégrale <math>\ldots</math> {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Les [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d’un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ayant pour équation implicite l’intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\;</math><ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" /> de son mouvement lequel dépend de la valeur de l'énergie mécanique initiale <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />, <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. }}diffèrent suivant <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="différents portraits de phase d'un P.P.N.A."> Voir les paragraphes « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Tracé_des_portraits_de_phase_dans_le_cas_général_«_d'oscillations_ou_de_mouvement_révolutif_»_d'un_P.P.S._lancé_dans_les_C.I._«_1b_U_1a_»|tracé des portraits de phase dans le cas général d'oscillations ou de mouvement révolutif d'un P.P.S. lancé dans les C.I. 1b U 1a]] » du chap.<math>12</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\,\big(</math>l'allure des [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti étant la même que ceux d'un [[w:Pendule_simple|pendule simple]] non amorti<math>\big)\,</math> et « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Différents_portraits_de_phase_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté),_«_bifurcation_»_entre_mouvement_«_pendulaire_»_et_révolutif|différents portraits de phase du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté), bifurcation entre mouvement pendulaire et révolutif]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>pendulaire</u> <ref name="pendulaire"> Adjectif synonyme d'« oscillatoire ».</ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>fermé</u>, décrit dans le « <u>sens horaire</u> » <ref name="justification du sens horaire"> Ou « trigonométrique indirect », en effet « quand <math>\,\dot{\theta}\,</math> est <math>\,> 0</math>, <math>\,\theta \nearrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \nearrow\,</math> puis <math>\,\searrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule » ensuite «<math>\;\dot{\theta}\,</math> est <math>\,< 0</math>, correspondant à <math>\,\theta \searrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \searrow\,</math> puis <math>\,\nearrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule de nouveau » <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}avec le point «<math>\;\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)\;</math>» comme « <u>centre de </u>{{Nobr|<u>symétrie</u> » <ref name="justification du centre de symétrie"> Invariance de l’équation en changeant «<math>\;\theta\,</math> en <math>\,-\theta\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des vitesses angulaires <math>\,\big(</math>en fait antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>» et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Invariance de l’équation }}en changeant «<math>\;\dot{\theta}\,</math> en <math>\,-\dot{\theta}\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des abscisses angulaires <math>\,\big(</math>là encore c'est une antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|3}}l’association des deux symétries axiales <math>\,\big(</math>ou plutôt des deux antisymétries axiales<math>\big)\,</math> donnant un centre de symétrie pour l'intersection des deux axes <math>\,\big[</math>le point d'intersection des deux axes étant réellement une symétrie centrale <math>\,\big(</math>et non une antisymétrie centrale<math>\big)</math>.</ref>}} <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, avec le point «<math>\;\color{transparent}{\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)}\;</math>» }}correspondant à la position d’équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /> du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ; <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> }}<math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>révolutif</u>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>ouvert</u>, constitué de la <u>répétition du motif de l'intervalle</u><math>\;\left] -\pi\, , \, \pi \right]</math>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase }}répété <math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \nearrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} > 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 > 0\;</math>» ou <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase répété }}<math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \searrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} < 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 < 0\;</math>», <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)\;</math>» et celui avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,-\dot{\theta}_0 > 0 \right)\;</math>» <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, le portrait de phase avec C.I. «<math>\;\color{transparent}{\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)}\;</math>» }}étant <u>antisymétriques</u> l'un de l'autre, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>maxima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre stable</u> <ref name="équilibre stable du P.P." /> «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres stables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» ;<br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}\;</math>»<math>\big)\;</math> alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big)</math>.</ref> et <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>minima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre instable</u> <ref name="équilibre instable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessus de ce dernier.</ref> «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;</math> <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, les minima de<math>\;\color{transparent}{\vert \dot{\theta} \vert}\;</math>obtenus pour les positions d’équilibre instable «<math>\;\color{transparent}{\theta_{\text{éq. inst.}} =}</math> }}<math>\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres instables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = -\left( 2\;p' + 1 \right)\, \pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big[</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big]\;</math>.</ref>. == « Généralisation » à tout « solide » : « théorème de la variation de l’énergie mécanique » et la forme locale associée « le théorème de la puissance mécanique », application au cas d’un solide amorti == {{Al|5}}Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à la généralisation à tout système de points matériels ou continu de matière « indéformable » <ref name="solide au sens de la mécanique" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à }}la généralisation aux systèmes de points matériels ou continus de matière « déformables » sera faite dans le chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Lois_de_l'énergie_cinétique_pour_un_système_déformable_de_points_matériels#«_En_complément_»,_théorème_de_la_variation_de_l’énergie_mécanique_appliqué_à_un_système_de_matière_déformable_dans_le_champ_des_forces_extérieures_et_intérieures_conservatives_et_sa_forme_locale_«_le_théorème_de_la_puissance_mécanique_»|en complément : théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un système de matière déformable dans le champ des forces extérieures et intérieures conservatives et sa forme locale le théorème de la puissance mécanique]] » du chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. === Théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s’écrivant «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\bullet\;</math>celles qui sont conservatives <math>\,\big(</math>lesquelles « dérivent » d’une énergie potentielle<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{ransparent}{\bullet}\;</math>}}dont le travail pendant cette durée finie est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées }}<math>\bullet\;</math>celles qui sont non conservatives <ref name="non conservatives"> Ou, si elles sont conservatives, dont on ne considère pas le caractère « conservatif ».</ref> dont le travail pendant cette durée finie <br>{{Al|12}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>celles qui sont non conservatives dont }}est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}d'où «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou, avec «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, }}<math>\big(U_{\text{ext}}\,</math> étant l'énergie potentielle dont dérivent les forces conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, <math>\color{ransparent}{\big(}</math>}}définie à une constante additive près précisée par choix de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}<math>\Rightarrow</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» d’où la réécriture du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « solide <math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\left( \mathcal{S} \right)} + U_{\text{ext}} \right] = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» où on reconnaît dans le 1^er membre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}la variation de l’énergie mécanique «<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t) + U_{\text{ext}}\!(t)\;</math>» du solide «<math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le champ des forces conservatives sur la durée <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> dans le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où dans le champ des forces conservatives }}référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen d'où, finalement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}le lien entre la variation de l'énergie mécanique du « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;\Delta E_m = E_{m,\,\mathcal{F}} - E_{m,\,\mathcal{I}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» le lien }}le travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> sur cette même durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}«<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» applicable à un solide dans un référentiel d’étude galiléen, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}l'énoncé du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie dans un référentiel galiléen <ref> Ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. sous la forme où il existe des forces extérieures non conservatives dissipatives mais, comme le cas où toutes les forces extérieures travaillant sont conservatives est clairement explicité <math>\,\big(</math>sous la forme de la conservation de l’énergie mécanique du solide<math>\big)</math>, le cas où il existe des forces extérieures travaillant et non conservatives <math>\,\big(</math>comme des forces de frottement<math>\big)\,</math> s’appliquant à un solide peut difficilement être ignoré d'où l'ajout du théorème sous sa forme la plus générale <math>\;\ldots</math></ref>. : {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}<math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <math>\,K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation «<math>\;\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» }}égale au travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale au travail }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire dans un référentiel galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique }}se déduit aisément de sa forme sur une durée finie soit {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}conservatives <math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}<math>K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> <math>\color{transarent}{K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)}\,</math> l'énergie cinétique }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation élementaire«<math>\;d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t)\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» }}égale au travail élémentaire des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» égale au travail }}appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;d E_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide }}est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée finie ou élémentaire se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>». === Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de la puissance mécanique est la forme locale associée à la forme intégrée <ref name="forme intégrée de forme locale" /> “ théorème de la variation de l'énergie mécanique sur une durée finie ou élémentaire ” ; {{Al|5}}pour obtenir cette forme locale on écrit le théorème de la variation de l’énergie mécanique d’un solide dans le champ des forces extérieures conservatives entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math><ref> C.-à-d. la forme élémentaire du théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un solide.</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on écrit }}«<math>\;dE_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\,</math> dans un référentiel galiléen » puis, <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on divise les deux membres par <math>\,dt\,</math> soit «<math>\;\dfrac{dE_m}{dt} = \dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{dE_m}{dt}\;</math>» est la dérivée temporelle de l’énergie mécanique du solide dans le champ des forces extérieures conservatives définissant <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}la puissance mécanique du solide à l'instant <math>\,t\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives, notée «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» la puissance instantanée développée, à l'instant <math>\,t</math>, par les forces extérieures non conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}appliquées au solide notée «<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on obtient «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» d'où l'énoncé du théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen : {{Théorème|titre=Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide »|contenu = {{Al|5}}La puissance mécanique à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> <math>\big[</math>avec, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie mécanique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{ext}}(t)}\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces }}conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math>» l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique }}est égale à la puissance instantanée développée par les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique est égale à }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> au même instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide à un instant <math>\,t\,</math> quelconque se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}c.-à-d., après intégration, « la conservation de l’énergie mécanique du solide précédemment défini ». === Application au cas d’un solide amorti === {{Al|5}}Parmi les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées à un solide et travaillant, « les plus fréquentes sont dissipatives » <ref> Mais elles peuvent aussi être motrices par exemple, si nous souhaitons que les oscillations d’un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ou d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] perdurent alors qu’existent naturellement des frottements {{Nobr|<math>\,\big(</math>même}} minimes<math>\big)</math>, il est nécessaire de les entretenir à l’aide d’une force extérieure motrice compensant les forces de frottement, cette force motrice étant alors usuellement non conservative tout comme le sont les forces de frottement.</ref> comme les forces de frottement fluide <math>\,\big(</math>ou solide<math>\big)</math> ; {{Al|5}}si les seules forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> travaillant sont des forces de frottement s'exerçant sur un solide en mouvement dans un référentiel galiléen, <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces }}conservatives <ref name="théorème de la puissance mécanique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_la_puissance_mécanique_appliqué_à_un_«_solide_»|théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}s’écrivant «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{frott}}\!(t) < 0\;</math>» dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}l'énergie mécanique de ce solide «<math>\;E_m(t) \searrow\,</math> au sens strict » avec <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}</math> <math>\big(</math>il est qualifié d'« amorti »<math>\big)</math>. ==== Cas particulier du pendule de torsion amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] dont la photographie est dans un « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|paragraphe plus haut dans ce chapitre]] » mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}avec les masselottes remplacées par des ailettes comme présenté dans le schéma de vue de dessus de la « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|remarque du paragraphe précité]] », <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d'un fil et sa conservation en absence de frotemment]] (2^ème exemple) » plus haut dans ce chapitre dans lequel <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> doit être remplacée par <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})</math>.</ref> dans le référentiel <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « }}<math>\big\{</math>avec <math>\,U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> la position d'équilibre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « <math>\color{transparent}{\big\{}</math>avec <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2}\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence }}du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}on en déduit la puissance mécanique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;\dot{E}_m(t) = J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + 2\;C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]\,\dot{\theta}(t)\;</math>» {{Al|5}}le « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Couple_de_frottement_fluide_linéaire_agissant_sur_le_pendule_par_l’intermédiaire_des_ailettes|couple de frottement fluide linéaire agissant sur le pendule par l'intermédiaire des ailettes]] » dont le moment scalaire relativement à l'axe <math>\;\Delta_C\;</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C} = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» établi au chap.<math>7</math> de la leçon « Mécanique 2 (PCSI) » <math>\;\big[H\;</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frottent les ailettes<math>\big]\;</math> montre qu'il est non conservatif <ref name="raison du caractère non conservatif"> En effet pour que ce couple soit conservatif il faudrait que son moment scalaire ne dépende que de <math>\;\theta\;</math> ou soit constant mais en aucun cas dépendant de <math>\;\dot{\theta}</math>.</ref>, la puissance du couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\;t</math>, selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant «<math>\;E_m(t) = K(t) + U_{\text{tors}}\!\left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2\!(t) + \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2}\!(t) - C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d'un fil et sa conservation en absence de frottement]] » plus haut dans ce chapitre en remplaçant « solide + masselottes » par « solide + ailettes ».</ref> à l'instant <math>\;t\;</math> dans le référentiel d'étude <math>\;\mathcal{R}</math>, <math>\;\big[J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;</math> étant le moment d'inertie du solide « tige + ailettes » relativement à l'axe commun <math>\;\Delta_C\;</math> des deux fils <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /><math>\big]\;</math> on en déduit aisément, dans <math>\;\mathcal{R}\;</math> et à l'instant <math>\;t</math>, la puissance mécanique du solide « tige + ailettes » dans le champ de torsion des fils en formant <math>\;\dot{E}_m(t) = \dfrac{d E_m}{dt}(t)\;</math> puis {{Al|5}}l’application du théorème de la puissance mécanique au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> nous conduit à «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» ou «<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» soit encore, {{Al|5}}en explicitant la dérivée temporelle de l’énergie mécanique puis en divisant par «<math>\;\dot{\theta}\!(t)\;</math>», l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon «Mécanique 2 (PCSI)» à savoir <center>«<math>\;J_{\Delta_C}\!\left( \text{tige} + \text{ailettes} \right)\;\ddot{\theta}(t) + H\;\dot{\theta}(t) + 2\;C\;\theta(t) = 2\;C\;\theta_1\;</math>».</center> ==== Cas particulier du pendule pesant à un degré de liberté amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] à un degré de liberté du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre avec des frottements fluides linéaires comme présenté dans la vue de profil de la remarque du paragraphe précité, {{Al|5}}à la force extérieure «<math>\;m\;\vec{g}\;</math>», conservative, s'exerçant sur le P.P.A. <ref name="P.P.A." /> et « dérivant » de l'énergie potentielle de pesanteur de ce dernier, à savoir «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) =</math> <math>m\;g\;\mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos(\theta) \right]\;</math>» <math>\;\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre stable du solide <math>\;\theta_{\text{éq. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P." /><math>\big)\;</math><ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, il convient d'ajouter {{Al|5}}les forces de frottement fluide linéaire dont le moment scalaire relativement à l'axe <math>\;\Delta_O\;</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t) = -H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» a été établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « Mécanique 2 (PCSI) » <math>\;\big[H\;</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du pendule, de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel il frotte<math>\big]\;</math> montre que ces forces de frottement est un système non conservatif <ref name="raison du caractère non conservatif" />, la puissance de ces forces de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\;t</math>, selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right] =</math> <math>\mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t)\;\dot{\theta}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}l'énergie mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> étant «<math>\;E_m(t) = K(t) + U_{\text{pes}}\!\left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> à l'instant <math>\;t\;</math> dans le référentiel d'étude <math>\;\mathcal{R}</math>, <math>\;\big[J_{\Delta_O}\;</math> étant le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> relativement à son axe <math>\;\Delta_O\;</math> de rotation <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /><math>\big]\;</math> on en déduit aisément, dans <math>\;\mathcal{R}\;</math> et à l'instant <math>\;t</math>, la puissance mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en formant <math>\;\dot{E}_m(t) = \dfrac{d E_m}{dt}(t)\;</math> puis {{Al|5}}l’application du théorème de la puissance mécanique au P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> nous conduit à «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right]\;</math>» ou «<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» soit encore, {{Al|5}}en explicitant la dérivée temporelle de l’énergie mécanique puis en divisant par «<math>\;\dot{\theta}\!(t)\;</math>», l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon «Mécanique 2 (PCSI)» à savoir <center>«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) + H\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>».</center> == Notes et références == <references /> {{Bas de page | idfaculté = physique | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie|Approche énergét. du mouv. d'un sol. en rotat. autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels|Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels]] }} gqcysber495p2exiz2vfre18dre9wom 987940 987939 2026-10-31T16:43:32Z Phl7605 31541 /* Cas particulier du pendule de torsion amorti par frottement fluide linéaire */ 987940 wikitext text/x-wiki {{Chapitre | idfaculté = physique | numéro = 12 | niveau = 14 | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie/]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels/]] }} <center>Ce chapitre est traité dans le cadre de la dynamique newtonienne avec ajout de quelques éléments de dynamique relativiste.</center> == Théorème de l'énergie cinétique d’un système de matière, cas d’un solide en rotation autour d’un axe fixe == {{Al|5}}Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}est évidemment à connaître comme forme intégrée de la forme locale <ref name="forme intégrée de forme locale"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Lois_de_la_puissance_et_de_l'énergie_cinétiques#Différence_entre_«_forme_locale_de_la_dynamique_»_et_«_forme_intégrée_associée_à_cette_forme_locale_»|différence entre forme locale de la dynamique et forme intégrée associée à cette forme locale]] » du chap.<math>15</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> « théorème de la puissance <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}cinétique d'un système de matière » laquelle est inscrite explicitement dans le programme <math>\;\ldots</math> === Définition du travail du système des forces extérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque"> Par « système de matière quelconque » il faut entendre « système fermé discret de points matériels ou continu de matière » « déformable ou non ».</ref> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1"> A priori <math>\,N\,</math> pourrait être égal à <math>\,1\,</math> mais ce ne serait plus un système de points matériels mais un simple point matériel.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes"> C.-à-d. l’ensemble des paramètres de position et de vitesse de tous les points à l'instant de définition de l'état, tous ces paramètres permettant d’y décrire le système.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> entre }}l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Expression_du_travail_élémentaire_de_la_force_dont_le_point_d’application_subit_le_vecteur_déplacement_élémentaire_correspondant_à_la_durée_élémentaire_de_développement_de_sa_puissance|expression du travail élémentaire de la force dont le point d'application subit le vecteur déplacement élémentaire correspondant à la durée élémentaire de développement de sa puissance]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - bis"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="infiniment proches"> Instants infiniment proches.</ref>, son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité volumique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance volumique <math>\,\mathcal{P}_{\text{vol},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t)</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité surfacique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance surfacique <math>\,\mathcal{P}_{\text{surf},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) =</math>}} <math>\sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité linéique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance linéique <math>\,\mathcal{P}_{\text{lin},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right] dt\;</math>».</ref>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« chaque point <math>\,\color{transparent}{M_i}\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> entre «<math>\;\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\;</math>» }}son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\,</math> étant aussi tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces extérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces extérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" />. === Définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est également présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2"> Pour l'existence de forces intérieures appliquées à un système, <math>\,N\,</math> doit être évidemment <math>\,\geqslant\,</math> à <math>\,2</math>.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes" /> et l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" /> sachant que <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir }}le système des forces intérieures s'exerçant sur le système discret fermé de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le système des forces intérieures }}est défini comme « l'ensemble des forces <math>\,\vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t)\,</math> que chaque point <math>\,M_j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, exerce sur chaque point <math>\,M_i,\;\;i \neq j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math>» <ref name="système de forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Forces,_principe_des_actions_réciproques#Système_des_forces_intérieures_s’exerçant_sur_un_système_de_points_matériels_fermé|système des forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math> entre les instants <math>\;t\;</math> et <math>\;t + dt\;</math> selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i} \right]\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - ter"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> dans lequel, chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \mu(M')\;d \mathcal{V}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bivolumique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}}{d \mathcal{V}_{M'}\;d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \sigma(M')\;d S_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\;</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bisurfacique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}}{d S_{M'}\;d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \lambda(M')\;d \mathit{l}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\;\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bilinéique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}}{d \mathit{l}_{M'}\;d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace dt\;</math>».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces intérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces intérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière" />. {{Al|5}}<u>Remarque 1</u> : Le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures }}peut aussi être défini à partir de la puissance instantanée développée par les forces intérieures s’exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="définition de la puissance développée par les forces intérieures"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Définition_2|définition]] (de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures peut aussi être défini }}selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - tetra"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : }}le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}s'obtenant en ajoutant tous les travaux élémentaires de <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}peut se calculer à partir de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> peut se calculer }}par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>». {{Al|5}}<u>Remarque 2</u> : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math><ref name="définition du référentiel Rj"> Le référentiel «<math>\;\mathcal{R}_j\;</math>» est le référentiel lié à <math>\,M_j\,</math> en translation par rapport au référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#cite_note-puissance_des_forces_intérieures_s'exerçant_sur_système_continu_de_matière_-_ter-55|⁵⁵]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> dans le référentiel <math>\,\color{transparent}{\mathcal{R}}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}_{\text{int}}(t)}</math> }}<math>= \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Autres_expressions_équivalentes|autres expressions équivalentes]] de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj"> Le point <math>\,M_i\,</math> décrivant dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_j</math> <math>\,\big[</math>lié à <math>\,M_j\,</math> et en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\big]\,</math> une trajectoire particulière <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}\;</math> entre les deux instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t)\big]\,</math> étant tangent à <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}</math>.</ref> ou <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures «}}<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right]\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : }}de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière" />{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" />{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" />. {{Al|5}}<u>Remarque 3</u> : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nulle <ref name="puissance des forces intérieures en général non nulle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (1^ère conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu"> Système discret de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique"> Le système se comporte donc comme un solide au sens de la mécanique.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures nulle pour un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (3^ème conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = 0\;\;\forall\;t\,</math> pour <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = 0\;\;\forall\;\left[ t\,,\,t + dt \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> le devient }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = 0\;\;\forall\;\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> ». === Théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Partant du théorème de la puissance cinétique appliqué, à l'instant <math>\,t</math>, à un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Énoncé|énoncé]] du théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> dans lequel <math>\,\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math> est la puissance cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{ext}}(t)\,</math> la puissance développée par les forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\,</math> celle développée par les forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la même date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on multiplie par <math>\,dt\,</math> pour obtenir la forme élémentaire du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir la forme élémentaire }}entre «<math>\;t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\;</math>» où <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> est la variation élémentaire d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{ext}}\,</math> le travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{int}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur le même <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on intègre entre <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique }}entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec <math>\,\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\,</math> variation d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\,</math> }}sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> le travail des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> le travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> celui des forces intérieures }}sur le même <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>. {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> étant nul quel que soit le mouvement du système » <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Définition_du_travail_du_système_des_forces_intérieures_appliquées_à_un_«_système_de_matière_»_entre_un_état_initial_et_un_état_final|définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un système de matière entre un état initial et un état final]] (remarque 3) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul }}<math>\Rightarrow</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide sous sa forme élémentaire ou <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide }}sur une durée finie : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière en translation » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière"> Système fermé discret fermé de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> en translation » <ref name="système en translation"> Un « système de matière en translation » ne se déformant pas peut aussi être qualifié de « solide » au sens de la mécanique.</ref>, tous les points ont le même vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> égal à celui du C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> <math>\,G\,</math> du système, d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\!G}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <ref name="signification du travail élémentaire développé par les forces extérieures appliquées à un système en translation"> Dans cette 3^ème expression «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» est aussi « le travail élémentaire qui serait développé, sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\,t + dt \right],</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>, par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans <math>\,\mathcal{R}\;</math>» <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», ce dernier s'obtenant par application du théorème du mouvement du C.D.I. <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Principe_fondamental_de_la_dynamique_et_théorème_de_la_résultante_cinétique#Énoncé_du_théorème_(dynamique_newtonienne)|énoncé du théorème (dynamique newtonienne)]] du mouvement du C.D.I. d'un système » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> correspondant aussi à l'application de la r.f.d.n. <math>\,\big(</math>relation fondamentale de la dynamique newtonienne<math>\big)\,</math> au point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>» sur lequel s'exercerait la résultante dynamique<math>\big\}</math>.</ref> dans laquelle «<math>\;\vec{F}_{\text{ext}}(t)\;</math> est la résultante <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}«}}dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» <ref> Voir les paragraphes « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_en_translation_»|cas d'un système de matière en translation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » et « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissancce développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces intérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{int},\,\text{syst. en transl.}} = 0\;</math>» <ref name="système en translation" />{{,}} <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>de la variation élémentaire de l'énergie cinétique du système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en transl.}}\;</math>» avec «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="signification de l'énergie cinétique d'un système en translation"> Dans cette 2^ème expression «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» est aussi « l'énergie cinétique newtonienne du point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans {{Nobr|<math>\,\mathcal{R}\,</math>»}} <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», tous les points du système en translation ayant même vitesse que le C.D.I. <math>\,G\big\}</math>.</ref> l'énergie cinétique <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, dans le cadre de la cinétique newtonienne <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en translation"> Voir le paragraphe « énergie cinétique dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Cas_d'un_système_en_translation|cas d'un système en translation]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique }}appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" />{{, }} <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque dans un référentiel galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> nous obtenons : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un référentiel <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière en translation <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> étant le C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> et <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =}</math> }}la résultante dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\,</math> ou <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste"> Applicable sous cette forme dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste.</ref> avec <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="système fermé de matière" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système en translation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =</math> <math>K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail effectué par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail effectué par la résultante dynamique }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <br>{{Al|208}}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Ce théorème <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais il doit bien sûr être connu <ref> Sans doute ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. car on considère usuellement un système de matière en translation comme un point matériel <math>\,\big(</math>le C.D.I. <math>\,G\,</math> du système<math>\big)\,</math> sur lequel s'exerce la résultante dynamique du système et, selon ce point de vue, le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un système de matière en translation n'est rien d'autre que le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un point matériel, lequel est, quant à lui, au programme <math>\;\ldots</math></ref>. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}<u>Préliminaire</u> : Un « système <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » peut, a priori, se déformer <ref name="système en rotation autour d'un axe"> Par exemple, en se dilatant, c.-à-d. que chaque point du système, en plus de sa rotation autour d'un axe fixe, s'éloigne radialement de cet axe <math>\,\big(</math>la vitesse d'éloignement pouvant être différente d'un point à un autre<math>\big)\,</math> mais dans ce cas il ne s'agit pas d'une rotation « pure » <math>\;\ldots</math> <br>{{Al|3}}Pour maintenir une même vitesse angulaire à un instant <math>\,t\,</math> pour tous les points d'un « système déformable », il faut que le mouvement orthoradial de chacun des points soit corrélé au mouvement radial correspondant, avec absence de mouvement axial, c.-à-d. que, pour deux points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> tels que la droite <math>\,M_iM_j\,</math> recoupe l'axe <math>\,\Delta\,</math> perpendiculairement en <math>\,H_{i,\,j}</math>, <math>\,\big[</math>les points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> ayant donc même abscisse angulaire <math>\,\theta_{i,\,j}(t)\big]\,</math> on ait <math>\,\dot{\theta}_{i,\,j}(t) = \overline{\Omega}(t)</math> <math>\,\big[</math>donc indépendant de <math>\,\left( i\,,\, j \right)\big]\,</math> pour tout instant <math>\,t\,</math> et pour tout couple <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> dont les éléments ont même abscisse angulaire, ces conditions étant très contraignantes sont quasiment jamais réalisées naturellement <math>\;\ldots</math></ref>, toutefois, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Préliminaire : un « système <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>fermé<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » }}il est, en pratique, indéformable et est alors qualifié de « solide » au sens de la mécanique ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Préliminaire : }}l’exposé ci-dessous s'applique à un système discret <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de points matériels ou un système continu <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}<u>Exposé</u> : Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière" /> indéformable, en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe <math>\,\Delta</math>, fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen », <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}tous les points ont le même vecteur rotation instantanée <math>\,\vec{\Omega}(t) = \overline{\Omega}(t)\;\vec{u}_{\Delta}\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\big[\vec{u}_{\Delta}\,</math> étant le vecteur unitaire orientant l'axe de rotation <math>\,\Delta\,</math> et <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\big[}</math>}}autour de cet axe de rotation <math>\,\Delta\big]\,</math> d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe"> Expression ne nécessitant pas que l'axe <math>\,\Delta\,</math> soit fixe, la fixité de l'axe dans un référentiel intervenant quand ce dernier est galiléen et quand on utilise l'un des théorèmes fondamentaux de la dynamique de rotation des systèmes <math>\,\big\{</math>par exemple le théorème de l'énergie cinétique établi dans ce paragraphe mais le traavail élémentaire déveeloppé par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» ne nécessite pas que <math>\,\Delta\,</math> soit fixe<math>\big\}</math>.</ref>{{,}} <ref name="travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur un système en rotation"> Voir le paragraphe « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> {{Nobr|«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)</math>}} <math>= \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;</math>» et le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\delta W\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right] = \mathcal{P}\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right]\;dt\;</math>» puis, en faisant la somme membre à membre de façon à définir le travail élémentaire du sytème des forces extérieures s'exerçant sur le système en rotation «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)\;dt\;</math>».</ref> où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> est le moment <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» ou, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>du travail élémentaire }}avec «<math>\;\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta\;</math>» dans lequel <math>\,\theta(t)\,</math> est l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, la réécriture <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>,«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>de la variation de l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}}\;</math>» avec, l'énergie cinétique, à l'instant <math>\,t</math>, de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le cadre de la cinétique newtonienne «<math>\;K_{\text{syst. en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en rotation autour d'un axe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d’un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d’un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> avec «<math>\;J_\Delta\,</math> le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}relativement à <math>\,\Delta\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe"> Voir la notion de moment d'inertie d'un système discret ou continu dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Application_à_un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe#Application_au_cas_d'un_«_système_fermé_de_matière_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe_«_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|application d'un système fermé de matière en rotation autour d'un axe Δ fixe quelconque dans un référentiel d'étuide galiléen]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> d'où, en cinétique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> appliqué à un solide <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_solide_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d'un système }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> avec «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» et «<math>\;\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <math>\,\overline{\Omega}(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}<math>= \dot{\theta}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> encore égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>avec <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> et <math>\,\theta(t)\,</math> l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" />, sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail du moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail du }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[\theta(t)\,</math> étant l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation est égale au travail du «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[\theta}\,</math> étant l'abscisse angulaire }}à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> étant le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = 2\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)}\;</math>» <math>\,\big[</math>}}<math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] <math>\,\big(</math>photographié ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_(non_amorti)|mise en équation différentielle du mouvement du pendule de torsion (non amorti)]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Théorème_de_la_puissance_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_autour_d'un_axe_Δ_fixe_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe dans un référentiel d'étude galiléen]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. {{Al|5}}Ci-contre le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec deux fils de torsion identiques de même constante de torsion «<math>\;C\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec }}positions de masselottes identiques <math>\,\big(</math>sauf pour la couleur<math>\big)\,</math> de part et d'autre du point <math>\,C\,</math><ref name="distinction entre point d'attache des fils sur la tige et constante de torsion des fils"> On accepte la même notation pour le point d'attache des deux fils sur la tige et la constante de torsion de ces derniers tant qu'il n'y a pas d'ambiguïté <math>\,\big(</math>ce qui ne devrait jamais arriver compte-tenu du fait que ces deux grandeurs sont de nature différente<math>\big)</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec positions de masselottes identiques }}<math>\,\big(C\,</math> point d’attache des deux fils de torsion sur la tige<math>\big)</math> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre <math>\,\big(</math>en absence de masselottes<math>\big)\,</math> diffère du « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] » de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici l'extrémité supérieure <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil de torsion supérieur est mobile au lieu d'être fixe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur étant dans les deux fixe et <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici la torsion initiale est fournie par rotation propre de <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> d'un angle «<math>\;2\,\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>repéré sur le cercle gradué lié à <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}</math>, position de référence du cercle gradué<math>\big)\,</math> <math>\Rightarrow</math> en pratique, après quelques oscillations, la tige <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}acquiert la position d'équilibre repérée par l'angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>voir vérification ci-dessous<math>\big)\,</math> alors que <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] la torsion initiale est fournie par rotation de la tige d'un angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>également repéré <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>dans le pendule du chap.7 }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}\big)</math>, la position d'équilibre de la tige étant repérée par l'angle nul ; {{Al|5}}<u>vérification de la position d'équilibre de la tige dans le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}orientant les deux fils de torsion du bas vers le haut, quand la tige acquiert la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion supérieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche"> Une hélice est « droite » si le point tourne sur la gauche <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique direct ou encore dans le sens antihoraire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée et <br>{{Al|31}}elle est « gauche » si le point tourne sur la droite <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique indirect ou encore dans le sens horaire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée <br>{{Al|3}}<math>\,\big[</math>revoir aussi la distinction « hélices gauche ou droite » dans le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Mouvement_de_particules_chargées_dans_des_champs_électrique_et_magnétique_:_Cas_particulier_d'un_champ_magnétostatique_uniforme#Nature_hélicoïdale_uniforme_du_mouvement_de_la_particule|nature hélicoïdale uniforme du mouvement de la particule]] » du chap.<math>24</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> d'un angle «<math>\;\theta_1 - 2\;\theta_1 = -\theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil"> L'angle de torsion du fil qui intervient dans le vecteur moment du couple de torsion est l'angle que fait l'extrémité mobile relativement à l'extrémité maintenue fixe même si cette extrémité est fixée avec torsion initiale comme c'est le cas pour le fil supérieur <math>\,\big\{</math>on peut vérifier que cette définition correspond bien au schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » car {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{A_0B_0}\;</math>»}} est lié à l'extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil supérieur et «<math>\;\overrightarrow{AB}\;</math>» à l’extrémité mobile <math>\,C\,</math> et il en est de même pour l'éventuel fil de torsion inférieur<math>\big\}</math>.</ref> par rapport à son extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion supérieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} = -C \left( -\theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion inférieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche" /> d’un angle «<math>\;\theta_1 - 0 = \theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil" /> par rapport à l’extrémité <math>\;O_{\text{inf}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion inférieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = -C \left( \theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = -C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur la tige vérifiant «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} + \vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = \vec{0}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur }}la tige est effectivement en équilibre dans cette position <math>\;\ldots</math> {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <math>\,\big\{</math>ensemble solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC"> L'axe <math>\,\Delta_C\,</math> est le support des fils de torsion.</ref> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemb}}le solide étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles"> Repérée par rapport à la position de l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemble solide étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des masselottes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des masselottes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des masselottes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur"> L'angle de torsion du fil supérieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 2\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation"> Il s'agit de l'application de la puissance instantanée développée par un système de forces extérieures sur un solide en rotation autour d'un axe fixe <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d'un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> quand le système de forces extérieures est équivalent à un couple <math>\,\big[</math>c.-à-d. un système dont la résultante est nulle et dont le moment résultant scalaire relativement à l'axe de rotation définit le moment scalaire du couple<math>\big]</math>.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur"> L'angle de torsion du fil inférieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 0 = \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cin%C3%A9tique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d'un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;</math> est le moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et masselottes » en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_C\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre"> Ce qui suppose que <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> est non identiquement nulle <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\theta(t)\,</math> n'est pas une constante c.-à-d. que le solide n'est pas à sa position d'équilibre.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à droite «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta_1\;</math>», équation différentielle linéaire <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants sans terme du 1^er ordre hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_non_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition non énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] », la présence d'un 2^nd membre constant signifiant que le paramètre caractérisant l'oscillateur dans l'espace n'est pas nul à l'équilibre.</ref> de rotation ; {{Al|5}}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Conséquence_«_le_pendule_de_torsion_(non_amorti)_est_un_oscillateur_harmonique_non_amorti_de_rotation_»|conséquence : le pendule de torsion (non amorti) est un oscillateur harmonique non amorti de rotation]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » ; [[File:Pendule de torsion amorti - vue de dessus.png|thumb|300px|Vue de dessus d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti par substitution d'ailettes planes aux masselottes fixées sur la tige <math>\,\big(</math>les fils de torsion supérieur et inférieur <math>\,\perp\,</math> au plan de la figure ne peuvent y être représentés<math>\big)</math>]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> du }}<math>\big(</math>voir vue de dessus partielle représentée ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre étant écarté initialement comme celui de début de paragraphe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, le pendule ci-contre étant écarté initialement }}la tige acquiert donc une position d'équilibre repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}l'ensemble « tige et ailettes » étant un solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC" /> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant }}le solide est, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant le solide est, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}les actions extérieures sont <math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des ailettes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{ailettte}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des ailettes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des ailettes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{ailette}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu dans lequel se déplace le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] exercent sur les ailettes, modélisées par un <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> }}couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion"> voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Couple_de_frottement_fluide_linéaire_agissant_sur_le_pendule_par_l’intermédiaire_des_ailettes|couple de frottement fluide linéaire agissant sur le pendule par l'intermédiaire des ailettes]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple }}<math>\big[H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}et du fluide sur lequel frottent les ailettes<math>\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide la puissance instantanée }}selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\,</math> est le moment d'inertie du solide « tige + ailettes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et ailettes » en rotation autour de <math>\,\Delta_C\,</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t) - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t) - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1 - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étudié «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta_1\;</math>», équation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}différentielle linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique" /> de rotation ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Loi_horaire_de_position_angulaire_du_pendule_de_torsion_amorti|loi horaire de position angulaire du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ». == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule pesant non amorti à un degré de liberté - forces extérieures.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté <math>\,\big(</math>schématisé ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_non_amorti_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_du_moment_cinétique_scalaire|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant non amorti (à un degré de liberté) par application du théorème du moment cinétique scalaire]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />. {{Al|5}}Ci-contre schéma de face du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] idéale <ref name="liaison idéale"> C.-à-d. dans laquelle on peut négliger les frottements solides.</ref> du solide en rotation autour de l’axe horizontal <math>\,\Delta_O\;</math><ref name="liaison pivot du pendule"> Pour plus de détails voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Présentation_du_pendule_pesant_(non_amorti)_«_P.P.(N.A.)_»|présentation du pendule pesant (non amorti) P.P.(N.A.)]] (liaison pivot avec le point O) » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Non Amorti.</ref> à un degré de liberté ayant un mouvement de rotation imposé par la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] du solide avec l'axe <math>\,\Delta_O</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté }}son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,O</math>, d'axe <math>\,\Delta_O\,</math> orienté par le vecteur unitaire «<math>\;\vec{u}_{\Delta_O}\;</math>» et <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,\color{transparent}{O}</math>, }}de rayon «<math>\;\mathfrak{a}\;</math>» avec, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. }}<math>G\,</math> repéré par son abscisse angulaire «<math>\;\theta_G(t) = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\overrightarrow{OG}(t) \right\rbrace} = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\vec{u}_r(t) \right\rbrace}\;</math>» <ref name="noté theta"> Noté «<math>\;\theta(t)\;</math>» par la suite en absence d'ambiguïté.</ref> ; {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = \left[ \overrightarrow{OG}(t) \wedge m\;\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_O} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids"> Le moment vectoriel du poids par rapport à <math>\,O\,</math> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)\;</math>» a établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_liaison_sphérique_et_avec_les_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b),_établissement_de_la_nature_plane_du_mouvement_du_C.D.I._G_du_P.P.(N.A.)|dans le cas d'une liaison sphérique et avec les C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), établissement de la nature plane du mouvement du C.D.I. G du P.P.(N.A.)]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] », soit «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\varphi_G}(t)\;</math>» avec <math>\,\vec{u}_{\varphi_G}\,</math> s'identifiant à <math>\,\vec{u}_{\Delta_O}</math>. <br>{{Al|3}}On pouvait aussi déterminer directement le moment scalaire du poids, le schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_«_liaison_pivot_»_ou_d’une_«_liaison_sphérique_avec_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b)_»,_nouveau_repérage_adapté_à_la_nature_rotatoire_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_à_un_degré_de_liberté|dans le cas d'une liaison pivot ou d'une liaison sphérique avec C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), nouveau repérage adapté à la nature rotatoire du mouvement du P.P.(N.A.) à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » étant fait avec le paramètre de position angulaire <math>\,\theta > 0</math>, on observe que le poids tend à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,-\,</math> avec un bras de levier <math>\,\big(</math>distance orthogonale séparant l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du support de <math>\,m\;\vec{g}\big)\,</math> égal à <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où, dans le cas où <math>\,\theta\,</math> est <math>\,> 0</math>, {{Nobr|«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)</math>}} <math>= - \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>» <math>\,\Big\{</math>le résultat est indépendant du signe de <math>\,\theta\,</math> mais si le schéma était fait avec <math>\,\theta < 0</math>, on observerait que le poids tendrait à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,+\,</math> avec un bras de levier <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = + \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = m\;g\;\left[ -\mathfrak{a}\; \sin(\theta) \right] = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>», soit effectivement le même résultat <math>\,\big[</math>avec toutefois une possibilité d'erreur si on oubliait que <math>\,\theta < 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert = -\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\big]\Big\}</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_particulier_où_M_est_en_mouvement_circulaire_d'axe_Δ_et_de_vitesse_angulaire_instantanée_Ω(t)|cas particulier où M est en mouvement circulaire d'axe Δ et de vitesse angulaire instantanée Ω(t)]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> de la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I."> Conditions Initiales.</ref> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O"> On a établi dans la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#cite_note-réduction_à_deux_composantes_de_la_réaction_dans_ces_C.I.-18|¹⁸]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » que la réaction du point <math>\,O\,</math> dans l'hypothèse d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] sur le pendule lancé dans les C.I. <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\,</math> ou <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\,</math> s'écrirait <math>\,\vec{R}(t) =</math> <math>R_{\rho_G}(t)\;\vec{u}_{\rho_G}(t) + R_z(t)\;\vec{u}_z</math>, c.-à-d. que la réaction serait dans le plan vertical de lancement soit encore «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» ; <br>{{Al|3}}on établit de même <math>\,\big[</math>sans que cela ait été exposé dans le chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> que la réaction de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le pendule quels que soient les C.I. de lancement compatibles avec la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] s'écrit «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>».</ref> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul"> En effet la force étant <math>\,\perp\,</math> à l'axe par rapport auquel son moment scalaire est évalué est de bras de levier nul.</ref> auquel s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe"> Le couple étant de moment vectoriel <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta_O</math>.</ref> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée à la date <math>\,t\,</math> par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée développée à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|7}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}sans terme du 1^er ordre ; {{Al|5}}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique"> On appelle « [[w:Solution_de_forme_fermée|solution analytique]] » d'une équation différentielle, une expression mathématique <math>\,\big(</math>souvent dite « formule explicite »<math>\big)\,</math> pouvant s'obtenir par une combinaison d'opérations et de [[w:Fonction_de_référence|fonctions de référence]] <math>\,\big(</math>c.-à-d. fonctions affines, puissances, trigonométriques et exponentielles ainsi que leurs fonctions inverses sur un domaine de définition restreint pour lequel il y a bijection et même certaines solutions d'équations différentielles dites de référence<math>\big)</math>, les opérations étant l'addition, la soustraction, la multiplication, la division et l'extraction de racines.</ref> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’élongations_angulaires_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'élongations angulaires non petites]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il est nécessaire de procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="solution analytique dans le cas d'élongations petites"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Cas_particulier_des_«_petites_élongations_angulaires_»,_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_=_oscillateur_harmonique_(non_amorti)_approché_de_rotation,_période_des_«_petites_oscillations_»|cas particulier des petites élongations angulaires, pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) oscillateur harmonique (non amorti) approché de rotation, période des petites oscillations]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. [[File:Pendule pesant amorti à un degré de liberté - forces extérieures - bis.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures, <math>\,I\,</math> étant le point où la résultante des forces de frottement fluide peut être appliquée]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti <math>\,\big(</math>voir coupe partielle représentée ci-contre<math>\big)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire" /> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I." /> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O" /> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul" /> où s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe" /> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu où se déplace le [[w:Pendule_pesant|pendule]] exercent sur ce dernier, modélisées par <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}un couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_O}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti" />{{,}} <ref name="définition de H"> <math>\,H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]], de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frotte le solide.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Amorti.</ref> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0 - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right] - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_O}}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}avec terme linéaire du 1^er ordre ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique" /> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’amplitudes_initiales_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'amplitudes initiales non petites]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il faut procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique - bis"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » nécessitant néanmoins d'ajouter le terme d'amortissement <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A." />. == « En complément », caractère conservatif du couple de torsion, énergie potentielle de torsion et conservation de l’énergie mécanique du pendule de torsion (non amorti) dans le champ de torsion du fil == {{Al|5}}Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » ne sont pas explicités dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » }}il me semble souhaitable de le retenir <math>\,\big(</math>et bien sûr d’être capable de le retrouver<math>\big)</math>. === Caractère conservatif du couple de torsion === {{Al|5}}Le travail élémentaire d’un couple de torsion s’exerçant sur un solide, de vecteur moment «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t) = -C\;\alpha(t)\;\vec{u}_\Delta\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Expression_du_vecteur_moment_du_couple_de_torsion_exercé_par_le_fil_en_fonction_de_l'angle_de_torsion_«_α(t)_»,_notion_de_constante_de_torsion_«_C_»_du_fil_de_torsion|expression du vecteur moment du couple de torsion exercé par le fil de torsion α(t), notion de constante de torsion C du fil de torsion]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> lors d’une torsion élémentaire «<math>\;d \alpha\;</math>» <ref name="définition de Delta et alpha sur le fil de torsion"> <math>\,\Delta\,</math> étant la direction du fil de torsion orienté par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et «<math>\;\alpha\;</math>» l'angle de torsion algébrisé, défini au niveau de la liaison au solide dans le plan <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta\,</math> et orienté par <math>\,\vec{u}_\Delta</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion }}étant défini selon «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>», <math>\,\big[\overline{\Omega}(t)\,</math> étant la vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt}\;</math>», <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \alpha\;</math>»<math>\big]\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> soit finalement <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon }}«<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -C\;\alpha\; d \alpha\;</math>» correspondant à une différentielle de fonction <math>\Rightarrow</math> le <u>caractère conservatif du couple de torsion</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple"> Pour montrer qu’une force est conservative, on évalue son travail élémentaire en prenant un vecteur déplacement élémentaire quelconque <math>\,\overrightarrow{dM}\,</math> à partir du point d'application <math>\,M\,</math> de la force <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#2ème_définition_(équivalente)_d'une_force_«_conservative_»|2^ème définition (équivalente) d'une force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> ; <br>{{Al|3}}lorsqu'il s’agit d'un couple de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, il faut évaluer son travail élémentaire en envisageant une rotation élémentaire quelconque autour de n'importe quelle direction, le couple est alors conservatif si ce travail élémentaire est une différentielle de fonction mais <br>{{Al|3}}{{Transparent|lorsqu'il s'agit d'un couple }}dans le cas d’un couple de torsion de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, la seule direction autour de laquelle peut s’effectuer une rotation élémentaire est celle du fil c.-à-d. celle de <math>\,\vec{\Gamma}\,</math> et par suite la seule condition pour que le couple de torsion soit conservatif est que son travail élémentaire en considérant une rotation élémentaire autour de la direction du fil de torsion soit une différentielle de fonction ou encore que « le moment scalaire du couple de torsion par rapport au fil ne dépende que de l'angle de torsion <math>\,\alpha\;</math>» C.Q.E.R. <math>\,\big(</math>Ce Qui Est Réalisé<math>\big)</math>.</ref>. === Énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion === {{Al|5}}L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,U_{\text{tors}}\,</math> dont « dérive » le couple de torsion de vecteur moment <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}est définie par «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#1ère_définition_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|1^ère définition de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> c.-à-d. «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(\alpha)\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\,</math> ou <math>\,-C\;\alpha\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <math>\Leftrightarrow</math> «<math>\;\dfrac{dU_{\text{tors}}}{d \alpha} = C\;\alpha\;</math>» soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}en intégrant «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2 + cste\;</math>» ; choisissant la référence de l’énergie potentielle de torsion <math>\;U_{\text{tors}}(\alpha)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle"> C.-à-d. l'endroit où l'énergie potentielle est choisie nulle.</ref> <br>{{Al|7}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> en intégrant «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\alpha) = 2\; C\;\alpha^2 + cste}\;</math>» ; choisissant la référence }}quand le fil n’est pas tordu c.-à-d. <math>\,U_{\text{tors}}(0) = 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = 0</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}l'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d’un fil et sa conservation en absence de frottement === [[File:Pendule de torsion sans masselottes - actions exercées.png|thumb|500px|Schéma d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] représenté sans masselottes additives et avec fil inférieur sans torsion avec ajout des actions exercées sur la tige à l'instant <math>\;t</math>]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec un seul fil de torsion, l'autre fil étant sans torsion <math>\,\big(</math>voir schéma ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec un seul fil de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}la seule action extérieure de moment scalaire non nul par rapport à la direction <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}commune du fil de torsion et du fil sans torsion <math>\;\big(</math>orientée par le vecteur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> étant le couple « conservatif » de torsion <ref name="conservativité du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Caractère_conservatif_du_couple_de_torsion|caractère conservatif du couple de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}moment vectoriel «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}} = -C\;\alpha\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion /> auquel on associe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie potentielle de torsion du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre valant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;U_{\text{tors}}(t) =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion énergie potentielle de torsion }}<math>\,\dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_torsion_du_solide_relié_au_fil_de_torsion|énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}son énergie cinétique à la date <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{pend. tors.}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique }}<math>J_{CO_{\text{sup}}}\,</math> est le moment d'inertie du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] relativement à la <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique <math>\color{transparent}{J_{CO_{\text{sup}}}}\,</math> est }}direction du fil de torsion et du fil sans torsion <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à l'instant <math>\,t\,</math> selon «<math>\;E_m(t) = K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Propriétés_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|propriétés de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] (2^ème propriété) » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha_0 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\alpha(0) = \alpha_0\;</math> et <math>\,\dot{\alpha}(0) = 0\;</math>». [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]]]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige <math>\,\big(</math>voir photographie ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec deux fils de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}il y a deux actions extérieures s'exerçant sur le solide « tige + masselottes » de moment scalaire non nul par rapport à <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}la direction commune <math>\,\Delta_C\,</math> des deux fils de torsion <math>\,\big(</math>orientée par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}élémentaire du solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}prouve le <u>caractère conservatif du couple de torsion du fil supérieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}supérieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = -d U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta = -d U_{\text{tors. sup.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. sup.}}}{d \theta} = C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\,</math> qui s'intègre en <math>\,U_{\text{tors. sup.}}</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,= \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> et, en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. sup.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du solide à l'équilibre » c.-à-d. <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre"> Revoir l'explication rappelée dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans le chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil supérieur du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta_1 - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_1 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion"> Symboliquement l'énergie potentielle d'un solide dans le champ de torsion d'un fil de torsion s'obtient, à une constante additive près, par la moitié du produit de la constante de torsion du fil et du carré de l'angle de torsion, à l'instant <math>\;t</math>, du fil au point d'attache du solide.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation élémentaire du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\; \theta(t)\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et prouve le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<u>caractère conservatif du couple de torsion du fil inférieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}inférieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = -d U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\;\theta\;d \theta = -d U_{\text{tors. inf.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. inf.}}}{d \theta} = C\; \theta\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{tors. inf.}} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} + cste_2\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. inf.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position du solide à l'équilibre » c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil inférieur du solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2} + cste_2 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_2 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}finalement l'énergie potentielle globale de torsion du solide « tige + masselottes » <math>\,\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale }}s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = U_{\text{tors. sup.}}(\theta) + U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» ou, en simplifiant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale s'écrit }}«<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2\;</math>» <ref> En effet <math>\,\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + 2\;C\; \theta_1^{\,2} + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + C\; \theta_1^{\,2} = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2</math>.</ref>{{,}} <ref> Cette énergie potentielle de torsion du solide « tige + masselottes » est la même que celle que l'on obtiendrait avec un seul fil de torsion de constante de torsion <math>\,2\,C</math>, l'autre fil étant sans torsion avec la référence en la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>.</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule ci-dessus étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «<math>\;\color{transparent}{K_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#%Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torion par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique de l'ensemble tige + masselottes) » plus haut dans ce chapitre.</ref> avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule }}<math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion des deux fils définie, à l'instant <math>\,t\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie mécanique }}«<math>\;E_m(t) = K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}\! \left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\alpha\;</math>» dans le 1^er exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] ou <br>{{Al|57}}celui «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta - \theta_1 \right]^2 \,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du 2^ème exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|même]] paragraphe <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}étant parabolique, nous retrouvons la <u>2^ème définition d’un oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math>de rotation<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_(équivalente)_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition (équivalente) énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. <br>{{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> de son mouvement dans le 2^ème exemple du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}«<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2 = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>», <br>{{Al|58}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}les C.I. <ref name="C.I." /> étant «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}est donc une <u>ellipse décrite dans le sens horaire</u> <ref name="portrait de phase d'un socillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Tracé_du_portrait_de_phase_de_la_charge_du_condensateur_d'un_«_R_L_C_série_»_soumis_à_un_échelon_de_tension_suivant_le_cœfficient_d'amortissement|propriétés des portraits de phase de la charge du condensateur d'un RLC série soumis à un échelon de tension suivant le cœfficient d'amortissement]] (cas d'un circuit oscillant non amorti en vert) » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. == Conservation de l’énergie mécanique du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) dans le champ de pesanteur uniforme == === Énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant === {{Al|5}}Dans le cas d'un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref><math>\big)</math>, le poids du solide étant la seule action extérieure travaillant et ce dernier étant conservatif <ref name="poids d'un objet conservatif"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Établissement_du_caractère_«_conservatif_»_du_poids_d'un_point_matériel_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|établissement du caractère conservatif du poids d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, }}on lui associe l'énergie potentielle de pesanteur «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta)\;</math>» <ref name="énergie potentielle de pesanteur"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#«_Énergie_potentielle_de_pesanteur_d'un_point_matériel_»_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|énergie potentielle de pesanteur d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> déterminée en intégrant «<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = -dU_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> avec <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)\,</math> travail élémentaire du poids lors d'une rotation élémentaire d'angle <math>\,d \theta = \dot{\theta}(t)\;dt\,</math> autour de <math>\,\Delta_O\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe «<math>\;\color{transparent}{\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)}\,</math>}}<math>= \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;dt = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)\;dt = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;d \theta\;</math>» <ref name="travail élémentaire du poids du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (actions extérieures exercées sur le solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> d'où <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}<math>\,-dU_{\text{pes}} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\;d \theta\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{pes}}}{d \theta}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\,</math> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right) + cste\;</math>» <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}soit, en choisissant comme référence de l'énergie potentielle <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> « la position <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}d'équilibre stable de ce dernier <ref name="équilibre stable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessous de ce dernier.</ref> <math>\,\theta_{\text{éq. stable}} = 0\;</math>» d'où <math>\,U_{\text{pes}}(0) = 0\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}<math>\Rightarrow</math> <math>\,0 = -m\;g\;\mathfrak{a} + cste\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = m\;g\;\mathfrak{a}\,</math> d'où l'expression de <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}l'énergie potentielle de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> se réécrit selon <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta \right) \right]\;</math>» <ref> Pour trouver l'expression de l'énergie potentielle de pesanteur on peut aussi utiliser <math>\,\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = m\;g\;dz_G = -dU_{\text{pes}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{pes}} = -m\;g\;z_G + cste\,</math> sachant que <math>\,z_G = \mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right)\,</math> avec pour position d'équilibre stable <math>\,z_{G,\,\text{éq. stable}} = \mathfrak{a}</math> <math>\;\ldots</math></ref> <math>\,\big(</math>référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : la position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement === {{Al|5}}Considérant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A." /><math>\big)</math>, l'énergie potentielle de pesanteur étant «<math>\;U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right] = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\,</math> avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> <math>\,\theta_{\text{équi. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P."/> » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> et <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie cinétique du solide constituant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique du solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> dans laquelle <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie cinétique}}«<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du solide par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie mécanique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> dans le champ de pesanteur «<math>\;E_m\!(t) = K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) + U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right]</math> <br>{{Al|23}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie mécanique du P.P.N.A. dans le champ de pesanteur «<math>\;\color{transparent}{E_m\!(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{P.P.N.A.}}(t) + U_{\text{pes}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P..P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\,\left[ 1 - \cos(\theta) \right]\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}n'étant pas parabolique <math>\,\big(</math>mais sinusoïdal<math>\big)</math>, nous pouvons affirmer que <u>le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> n'est pas un oscillateur harmonique</u> <math>\,\big(</math>quand il est en situation d'osciller<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <math>\blacktriangleright\;</math>« oscillatoire pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'énergie mécanique initiale du P.P.N.A. vaut «<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^2 + m\;g\; \mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta_0 \right) \right]\;</math>».</ref> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. est }}<math>\blacktriangleright\;</math>« révolutive pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="étude du mouvement d'un P.P.N.A. par diagramme d'énergies"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Étude_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_dans_le_cas_général_des_élongations_angulaires_non_petites_par_diagramme_énergétique|étude du mouvement du P.P.(N.A.) dans le cas général des élongations angulaires non petites par diagramme énergétique]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}de démontrer, avec utilisation simultanée de l'intégrale 1^ère énergétique <ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'intégrale 1^ère énergétique du P.P.N.A. s'écrit «<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^{\,2} + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet de démontrer, }}la nature « périodique <math>\,\big(</math>oscillatoire ou révolutive<math>\big)\;</math>» ainsi que <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}d’établir l’expression de la période sous forme intégrale <math>\ldots</math> {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Les [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d’un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ayant pour équation implicite l’intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\;</math><ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" /> de son mouvement lequel dépend de la valeur de l'énergie mécanique initiale <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />, <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. }}diffèrent suivant <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="différents portraits de phase d'un P.P.N.A."> Voir les paragraphes « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Tracé_des_portraits_de_phase_dans_le_cas_général_«_d'oscillations_ou_de_mouvement_révolutif_»_d'un_P.P.S._lancé_dans_les_C.I._«_1b_U_1a_»|tracé des portraits de phase dans le cas général d'oscillations ou de mouvement révolutif d'un P.P.S. lancé dans les C.I. 1b U 1a]] » du chap.<math>12</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\,\big(</math>l'allure des [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti étant la même que ceux d'un [[w:Pendule_simple|pendule simple]] non amorti<math>\big)\,</math> et « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Différents_portraits_de_phase_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté),_«_bifurcation_»_entre_mouvement_«_pendulaire_»_et_révolutif|différents portraits de phase du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté), bifurcation entre mouvement pendulaire et révolutif]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>pendulaire</u> <ref name="pendulaire"> Adjectif synonyme d'« oscillatoire ».</ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>fermé</u>, décrit dans le « <u>sens horaire</u> » <ref name="justification du sens horaire"> Ou « trigonométrique indirect », en effet « quand <math>\,\dot{\theta}\,</math> est <math>\,> 0</math>, <math>\,\theta \nearrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \nearrow\,</math> puis <math>\,\searrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule » ensuite «<math>\;\dot{\theta}\,</math> est <math>\,< 0</math>, correspondant à <math>\,\theta \searrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \searrow\,</math> puis <math>\,\nearrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule de nouveau » <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}avec le point «<math>\;\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)\;</math>» comme « <u>centre de </u>{{Nobr|<u>symétrie</u> » <ref name="justification du centre de symétrie"> Invariance de l’équation en changeant «<math>\;\theta\,</math> en <math>\,-\theta\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des vitesses angulaires <math>\,\big(</math>en fait antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>» et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Invariance de l’équation }}en changeant «<math>\;\dot{\theta}\,</math> en <math>\,-\dot{\theta}\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des abscisses angulaires <math>\,\big(</math>là encore c'est une antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|3}}l’association des deux symétries axiales <math>\,\big(</math>ou plutôt des deux antisymétries axiales<math>\big)\,</math> donnant un centre de symétrie pour l'intersection des deux axes <math>\,\big[</math>le point d'intersection des deux axes étant réellement une symétrie centrale <math>\,\big(</math>et non une antisymétrie centrale<math>\big)</math>.</ref>}} <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, avec le point «<math>\;\color{transparent}{\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)}\;</math>» }}correspondant à la position d’équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /> du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ; <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> }}<math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>révolutif</u>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>ouvert</u>, constitué de la <u>répétition du motif de l'intervalle</u><math>\;\left] -\pi\, , \, \pi \right]</math>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase }}répété <math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \nearrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} > 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 > 0\;</math>» ou <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase répété }}<math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \searrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} < 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 < 0\;</math>», <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)\;</math>» et celui avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,-\dot{\theta}_0 > 0 \right)\;</math>» <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, le portrait de phase avec C.I. «<math>\;\color{transparent}{\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)}\;</math>» }}étant <u>antisymétriques</u> l'un de l'autre, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>maxima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre stable</u> <ref name="équilibre stable du P.P." /> «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres stables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» ;<br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}\;</math>»<math>\big)\;</math> alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big)</math>.</ref> et <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>minima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre instable</u> <ref name="équilibre instable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessus de ce dernier.</ref> «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;</math> <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, les minima de<math>\;\color{transparent}{\vert \dot{\theta} \vert}\;</math>obtenus pour les positions d’équilibre instable «<math>\;\color{transparent}{\theta_{\text{éq. inst.}} =}</math> }}<math>\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres instables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = -\left( 2\;p' + 1 \right)\, \pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big[</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big]\;</math>.</ref>. == « Généralisation » à tout « solide » : « théorème de la variation de l’énergie mécanique » et la forme locale associée « le théorème de la puissance mécanique », application au cas d’un solide amorti == {{Al|5}}Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à la généralisation à tout système de points matériels ou continu de matière « indéformable » <ref name="solide au sens de la mécanique" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à }}la généralisation aux systèmes de points matériels ou continus de matière « déformables » sera faite dans le chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Lois_de_l'énergie_cinétique_pour_un_système_déformable_de_points_matériels#«_En_complément_»,_théorème_de_la_variation_de_l’énergie_mécanique_appliqué_à_un_système_de_matière_déformable_dans_le_champ_des_forces_extérieures_et_intérieures_conservatives_et_sa_forme_locale_«_le_théorème_de_la_puissance_mécanique_»|en complément : théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un système de matière déformable dans le champ des forces extérieures et intérieures conservatives et sa forme locale le théorème de la puissance mécanique]] » du chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. === Théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s’écrivant «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\bullet\;</math>celles qui sont conservatives <math>\,\big(</math>lesquelles « dérivent » d’une énergie potentielle<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{ransparent}{\bullet}\;</math>}}dont le travail pendant cette durée finie est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées }}<math>\bullet\;</math>celles qui sont non conservatives <ref name="non conservatives"> Ou, si elles sont conservatives, dont on ne considère pas le caractère « conservatif ».</ref> dont le travail pendant cette durée finie <br>{{Al|12}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>celles qui sont non conservatives dont }}est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}d'où «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou, avec «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, }}<math>\big(U_{\text{ext}}\,</math> étant l'énergie potentielle dont dérivent les forces conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, <math>\color{ransparent}{\big(}</math>}}définie à une constante additive près précisée par choix de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}<math>\Rightarrow</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» d’où la réécriture du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « solide <math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\left( \mathcal{S} \right)} + U_{\text{ext}} \right] = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» où on reconnaît dans le 1^er membre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}la variation de l’énergie mécanique «<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t) + U_{\text{ext}}\!(t)\;</math>» du solide «<math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le champ des forces conservatives sur la durée <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> dans le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où dans le champ des forces conservatives }}référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen d'où, finalement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}le lien entre la variation de l'énergie mécanique du « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;\Delta E_m = E_{m,\,\mathcal{F}} - E_{m,\,\mathcal{I}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» le lien }}le travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> sur cette même durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}«<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» applicable à un solide dans un référentiel d’étude galiléen, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}l'énoncé du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie dans un référentiel galiléen <ref> Ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. sous la forme où il existe des forces extérieures non conservatives dissipatives mais, comme le cas où toutes les forces extérieures travaillant sont conservatives est clairement explicité <math>\,\big(</math>sous la forme de la conservation de l’énergie mécanique du solide<math>\big)</math>, le cas où il existe des forces extérieures travaillant et non conservatives <math>\,\big(</math>comme des forces de frottement<math>\big)\,</math> s’appliquant à un solide peut difficilement être ignoré d'où l'ajout du théorème sous sa forme la plus générale <math>\;\ldots</math></ref>. : {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}<math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <math>\,K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation «<math>\;\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» }}égale au travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale au travail }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire dans un référentiel galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique }}se déduit aisément de sa forme sur une durée finie soit {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}conservatives <math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}<math>K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> <math>\color{transarent}{K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)}\,</math> l'énergie cinétique }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation élementaire«<math>\;d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t)\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» }}égale au travail élémentaire des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» égale au travail }}appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;d E_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide }}est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée finie ou élémentaire se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>». === Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de la puissance mécanique est la forme locale associée à la forme intégrée <ref name="forme intégrée de forme locale" /> “ théorème de la variation de l'énergie mécanique sur une durée finie ou élémentaire ” ; {{Al|5}}pour obtenir cette forme locale on écrit le théorème de la variation de l’énergie mécanique d’un solide dans le champ des forces extérieures conservatives entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math><ref> C.-à-d. la forme élémentaire du théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un solide.</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on écrit }}«<math>\;dE_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\,</math> dans un référentiel galiléen » puis, <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on divise les deux membres par <math>\,dt\,</math> soit «<math>\;\dfrac{dE_m}{dt} = \dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{dE_m}{dt}\;</math>» est la dérivée temporelle de l’énergie mécanique du solide dans le champ des forces extérieures conservatives définissant <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}la puissance mécanique du solide à l'instant <math>\,t\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives, notée «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» la puissance instantanée développée, à l'instant <math>\,t</math>, par les forces extérieures non conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}appliquées au solide notée «<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on obtient «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» d'où l'énoncé du théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen : {{Théorème|titre=Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide »|contenu = {{Al|5}}La puissance mécanique à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> <math>\big[</math>avec, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie mécanique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{ext}}(t)}\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces }}conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math>» l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique }}est égale à la puissance instantanée développée par les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique est égale à }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> au même instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide à un instant <math>\,t\,</math> quelconque se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}c.-à-d., après intégration, « la conservation de l’énergie mécanique du solide précédemment défini ». === Application au cas d’un solide amorti === {{Al|5}}Parmi les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées à un solide et travaillant, « les plus fréquentes sont dissipatives » <ref> Mais elles peuvent aussi être motrices par exemple, si nous souhaitons que les oscillations d’un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ou d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] perdurent alors qu’existent naturellement des frottements {{Nobr|<math>\,\big(</math>même}} minimes<math>\big)</math>, il est nécessaire de les entretenir à l’aide d’une force extérieure motrice compensant les forces de frottement, cette force motrice étant alors usuellement non conservative tout comme le sont les forces de frottement.</ref> comme les forces de frottement fluide <math>\,\big(</math>ou solide<math>\big)</math> ; {{Al|5}}si les seules forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> travaillant sont des forces de frottement s'exerçant sur un solide en mouvement dans un référentiel galiléen, <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces }}conservatives <ref name="théorème de la puissance mécanique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_la_puissance_mécanique_appliqué_à_un_«_solide_»|théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}s’écrivant «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{frott}}\!(t) < 0\;</math>» dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}l'énergie mécanique de ce solide «<math>\;E_m(t) \searrow\,</math> au sens strict » avec <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}</math> <math>\big(</math>il est qualifié d'« amorti »<math>\big)</math>. ==== Cas particulier du pendule de torsion amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] dont la photographie est dans un « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|paragraphe plus haut dans ce chapitre]] » mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}avec les masselottes remplacées par des ailettes comme présenté dans le schéma de vue de dessus de la « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|remarque du paragraphe précité]] », <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d'un fil et sa conservation en absence de frotemment]] (2^ème exemple) » plus haut dans ce chapitre dans lequel <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> doit être remplacée par <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})</math>.</ref> dans le référentiel <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « }}<math>\big\{</math>avec <math>\,U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> la position d'équilibre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « <math>\color{transparent}{\big\{}</math>avec <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2}\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence }}du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}on en déduit la puissance mécanique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;\dot{E}_m(t) = J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + 2\;C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]\,\dot{\theta}(t)\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}la puissance des forces de frottement fluide linéaire <math>\,\big(</math>seule force extérieure non conservative travaillant dont le moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> est «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion" /><math>\big)\,</math> agissant sur les ailettes du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étant «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» {{Al|5}}le « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Couple_de_frottement_fluide_linéaire_agissant_sur_le_pendule_par_l’intermédiaire_des_ailettes|couple de frottement fluide linéaire agissant sur le pendule par l'intermédiaire des ailettes]] » dont le moment scalaire relativement à l'axe <math>\;\Delta_C\;</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C} = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» établi au chap.<math>7</math> de la leçon « Mécanique 2 (PCSI) » <math>\;\big[H\;</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frottent les ailettes<math>\big]\;</math> montre qu'il est non conservatif <ref name="raison du caractère non conservatif"> En effet pour que ce couple soit conservatif il faudrait que son moment scalaire ne dépende que de <math>\;\theta\;</math> ou soit constant mais en aucun cas dépendant de <math>\;\dot{\theta}</math>.</ref>, la puissance du couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\;t</math>, selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant «<math>\;E_m(t) = K(t) + U_{\text{tors}}\!\left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2\!(t) + \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2}\!(t) - C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d'un fil et sa conservation en absence de frottement]] » plus haut dans ce chapitre en remplaçant « solide + masselottes » par « solide + ailettes ».</ref> à l'instant <math>\;t\;</math> dans le référentiel d'étude <math>\;\mathcal{R}</math>, <math>\;\big[J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;</math> étant le moment d'inertie du solide « tige + ailettes » relativement à l'axe commun <math>\;\Delta_C\;</math> des deux fils <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /><math>\big]\;</math> on en déduit aisément, dans <math>\;\mathcal{R}\;</math> et à l'instant <math>\;t</math>, la puissance mécanique du solide « tige + ailettes » dans le champ de torsion des fils en formant <math>\;\dot{E}_m(t) = \dfrac{d E_m}{dt}(t)\;</math> puis {{Al|5}}l’application du théorème de la puissance mécanique au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> nous conduit à «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» ou «<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» soit encore, {{Al|5}}en explicitant la dérivée temporelle de l’énergie mécanique puis en divisant par «<math>\;\dot{\theta}\!(t)\;</math>», l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon «Mécanique 2 (PCSI)» à savoir <center>«<math>\;J_{\Delta_C}\!\left( \text{tige} + \text{ailettes} \right)\;\ddot{\theta}(t) + H\;\dot{\theta}(t) + 2\;C\;\theta(t) = 2\;C\;\theta_1\;</math>».</center> ==== Cas particulier du pendule pesant à un degré de liberté amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] à un degré de liberté du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre avec des frottements fluides linéaires comme présenté dans la vue de profil de la remarque du paragraphe précité, {{Al|5}}à la force extérieure «<math>\;m\;\vec{g}\;</math>», conservative, s'exerçant sur le P.P.A. <ref name="P.P.A." /> et « dérivant » de l'énergie potentielle de pesanteur de ce dernier, à savoir «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) =</math> <math>m\;g\;\mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos(\theta) \right]\;</math>» <math>\;\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre stable du solide <math>\;\theta_{\text{éq. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P." /><math>\big)\;</math><ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, il convient d'ajouter {{Al|5}}les forces de frottement fluide linéaire dont le moment scalaire relativement à l'axe <math>\;\Delta_O\;</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t) = -H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» a été établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « Mécanique 2 (PCSI) » <math>\;\big[H\;</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du pendule, de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel il frotte<math>\big]\;</math> montre que ces forces de frottement est un système non conservatif <ref name="raison du caractère non conservatif" />, la puissance de ces forces de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\;t</math>, selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right] =</math> <math>\mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t)\;\dot{\theta}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}l'énergie mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> étant «<math>\;E_m(t) = K(t) + U_{\text{pes}}\!\left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> à l'instant <math>\;t\;</math> dans le référentiel d'étude <math>\;\mathcal{R}</math>, <math>\;\big[J_{\Delta_O}\;</math> étant le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> relativement à son axe <math>\;\Delta_O\;</math> de rotation <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /><math>\big]\;</math> on en déduit aisément, dans <math>\;\mathcal{R}\;</math> et à l'instant <math>\;t</math>, la puissance mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en formant <math>\;\dot{E}_m(t) = \dfrac{d E_m}{dt}(t)\;</math> puis {{Al|5}}l’application du théorème de la puissance mécanique au P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> nous conduit à «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right]\;</math>» ou «<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» soit encore, {{Al|5}}en explicitant la dérivée temporelle de l’énergie mécanique puis en divisant par «<math>\;\dot{\theta}\!(t)\;</math>», l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon «Mécanique 2 (PCSI)» à savoir <center>«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) + H\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>».</center> == Notes et références == <references /> {{Bas de page | idfaculté = physique | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie|Approche énergét. du mouv. d'un sol. en rotat. autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels|Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels]] }} 63t45ffki1zvmzs419tqfy6doxb0zxr 987941 987940 2026-10-31T16:44:27Z Phl7605 31541 /* Cas particulier du pendule de torsion amorti par frottement fluide linéaire */ 987941 wikitext text/x-wiki {{Chapitre | idfaculté = physique | numéro = 12 | niveau = 14 | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie/]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels/]] }} <center>Ce chapitre est traité dans le cadre de la dynamique newtonienne avec ajout de quelques éléments de dynamique relativiste.</center> == Théorème de l'énergie cinétique d’un système de matière, cas d’un solide en rotation autour d’un axe fixe == {{Al|5}}Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}est évidemment à connaître comme forme intégrée de la forme locale <ref name="forme intégrée de forme locale"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Lois_de_la_puissance_et_de_l'énergie_cinétiques#Différence_entre_«_forme_locale_de_la_dynamique_»_et_«_forme_intégrée_associée_à_cette_forme_locale_»|différence entre forme locale de la dynamique et forme intégrée associée à cette forme locale]] » du chap.<math>15</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> « théorème de la puissance <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}cinétique d'un système de matière » laquelle est inscrite explicitement dans le programme <math>\;\ldots</math> === Définition du travail du système des forces extérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque"> Par « système de matière quelconque » il faut entendre « système fermé discret de points matériels ou continu de matière » « déformable ou non ».</ref> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1"> A priori <math>\,N\,</math> pourrait être égal à <math>\,1\,</math> mais ce ne serait plus un système de points matériels mais un simple point matériel.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes"> C.-à-d. l’ensemble des paramètres de position et de vitesse de tous les points à l'instant de définition de l'état, tous ces paramètres permettant d’y décrire le système.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> entre }}l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Expression_du_travail_élémentaire_de_la_force_dont_le_point_d’application_subit_le_vecteur_déplacement_élémentaire_correspondant_à_la_durée_élémentaire_de_développement_de_sa_puissance|expression du travail élémentaire de la force dont le point d'application subit le vecteur déplacement élémentaire correspondant à la durée élémentaire de développement de sa puissance]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - bis"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="infiniment proches"> Instants infiniment proches.</ref>, son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité volumique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance volumique <math>\,\mathcal{P}_{\text{vol},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t)</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité surfacique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance surfacique <math>\,\mathcal{P}_{\text{surf},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) =</math>}} <math>\sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité linéique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance linéique <math>\,\mathcal{P}_{\text{lin},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right] dt\;</math>».</ref>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« chaque point <math>\,\color{transparent}{M_i}\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> entre «<math>\;\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\;</math>» }}son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\,</math> étant aussi tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces extérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces extérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" />. === Définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est également présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2"> Pour l'existence de forces intérieures appliquées à un système, <math>\,N\,</math> doit être évidemment <math>\,\geqslant\,</math> à <math>\,2</math>.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes" /> et l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" /> sachant que <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir }}le système des forces intérieures s'exerçant sur le système discret fermé de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le système des forces intérieures }}est défini comme « l'ensemble des forces <math>\,\vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t)\,</math> que chaque point <math>\,M_j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, exerce sur chaque point <math>\,M_i,\;\;i \neq j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math>» <ref name="système de forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Forces,_principe_des_actions_réciproques#Système_des_forces_intérieures_s’exerçant_sur_un_système_de_points_matériels_fermé|système des forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math> entre les instants <math>\;t\;</math> et <math>\;t + dt\;</math> selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i} \right]\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - ter"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> dans lequel, chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \mu(M')\;d \mathcal{V}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bivolumique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}}{d \mathcal{V}_{M'}\;d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \sigma(M')\;d S_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\;</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bisurfacique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}}{d S_{M'}\;d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \lambda(M')\;d \mathit{l}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\;\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bilinéique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}}{d \mathit{l}_{M'}\;d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace dt\;</math>».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces intérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces intérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière" />. {{Al|5}}<u>Remarque 1</u> : Le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures }}peut aussi être défini à partir de la puissance instantanée développée par les forces intérieures s’exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="définition de la puissance développée par les forces intérieures"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Définition_2|définition]] (de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures peut aussi être défini }}selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - tetra"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : }}le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}s'obtenant en ajoutant tous les travaux élémentaires de <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}peut se calculer à partir de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> peut se calculer }}par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>». {{Al|5}}<u>Remarque 2</u> : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math><ref name="définition du référentiel Rj"> Le référentiel «<math>\;\mathcal{R}_j\;</math>» est le référentiel lié à <math>\,M_j\,</math> en translation par rapport au référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#cite_note-puissance_des_forces_intérieures_s'exerçant_sur_système_continu_de_matière_-_ter-55|⁵⁵]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> dans le référentiel <math>\,\color{transparent}{\mathcal{R}}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}_{\text{int}}(t)}</math> }}<math>= \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Autres_expressions_équivalentes|autres expressions équivalentes]] de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj"> Le point <math>\,M_i\,</math> décrivant dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_j</math> <math>\,\big[</math>lié à <math>\,M_j\,</math> et en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\big]\,</math> une trajectoire particulière <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}\;</math> entre les deux instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t)\big]\,</math> étant tangent à <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}</math>.</ref> ou <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures «}}<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right]\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : }}de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière" />{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" />{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" />. {{Al|5}}<u>Remarque 3</u> : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nulle <ref name="puissance des forces intérieures en général non nulle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (1^ère conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu"> Système discret de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique"> Le système se comporte donc comme un solide au sens de la mécanique.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures nulle pour un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (3^ème conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = 0\;\;\forall\;t\,</math> pour <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = 0\;\;\forall\;\left[ t\,,\,t + dt \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> le devient }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = 0\;\;\forall\;\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> ». === Théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Partant du théorème de la puissance cinétique appliqué, à l'instant <math>\,t</math>, à un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Énoncé|énoncé]] du théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> dans lequel <math>\,\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math> est la puissance cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{ext}}(t)\,</math> la puissance développée par les forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\,</math> celle développée par les forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la même date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on multiplie par <math>\,dt\,</math> pour obtenir la forme élémentaire du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir la forme élémentaire }}entre «<math>\;t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\;</math>» où <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> est la variation élémentaire d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{ext}}\,</math> le travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{int}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur le même <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on intègre entre <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique }}entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec <math>\,\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\,</math> variation d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\,</math> }}sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> le travail des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> le travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> celui des forces intérieures }}sur le même <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>. {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> étant nul quel que soit le mouvement du système » <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Définition_du_travail_du_système_des_forces_intérieures_appliquées_à_un_«_système_de_matière_»_entre_un_état_initial_et_un_état_final|définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un système de matière entre un état initial et un état final]] (remarque 3) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul }}<math>\Rightarrow</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide sous sa forme élémentaire ou <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide }}sur une durée finie : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière en translation » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière"> Système fermé discret fermé de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> en translation » <ref name="système en translation"> Un « système de matière en translation » ne se déformant pas peut aussi être qualifié de « solide » au sens de la mécanique.</ref>, tous les points ont le même vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> égal à celui du C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> <math>\,G\,</math> du système, d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\!G}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <ref name="signification du travail élémentaire développé par les forces extérieures appliquées à un système en translation"> Dans cette 3^ème expression «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» est aussi « le travail élémentaire qui serait développé, sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\,t + dt \right],</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>, par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans <math>\,\mathcal{R}\;</math>» <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», ce dernier s'obtenant par application du théorème du mouvement du C.D.I. <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Principe_fondamental_de_la_dynamique_et_théorème_de_la_résultante_cinétique#Énoncé_du_théorème_(dynamique_newtonienne)|énoncé du théorème (dynamique newtonienne)]] du mouvement du C.D.I. d'un système » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> correspondant aussi à l'application de la r.f.d.n. <math>\,\big(</math>relation fondamentale de la dynamique newtonienne<math>\big)\,</math> au point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>» sur lequel s'exercerait la résultante dynamique<math>\big\}</math>.</ref> dans laquelle «<math>\;\vec{F}_{\text{ext}}(t)\;</math> est la résultante <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}«}}dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» <ref> Voir les paragraphes « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_en_translation_»|cas d'un système de matière en translation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » et « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissancce développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces intérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{int},\,\text{syst. en transl.}} = 0\;</math>» <ref name="système en translation" />{{,}} <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>de la variation élémentaire de l'énergie cinétique du système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en transl.}}\;</math>» avec «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="signification de l'énergie cinétique d'un système en translation"> Dans cette 2^ème expression «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» est aussi « l'énergie cinétique newtonienne du point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans {{Nobr|<math>\,\mathcal{R}\,</math>»}} <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», tous les points du système en translation ayant même vitesse que le C.D.I. <math>\,G\big\}</math>.</ref> l'énergie cinétique <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, dans le cadre de la cinétique newtonienne <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en translation"> Voir le paragraphe « énergie cinétique dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Cas_d'un_système_en_translation|cas d'un système en translation]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique }}appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" />{{, }} <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque dans un référentiel galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> nous obtenons : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un référentiel <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière en translation <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> étant le C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> et <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =}</math> }}la résultante dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\,</math> ou <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste"> Applicable sous cette forme dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste.</ref> avec <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="système fermé de matière" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système en translation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =</math> <math>K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail effectué par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail effectué par la résultante dynamique }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <br>{{Al|208}}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Ce théorème <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais il doit bien sûr être connu <ref> Sans doute ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. car on considère usuellement un système de matière en translation comme un point matériel <math>\,\big(</math>le C.D.I. <math>\,G\,</math> du système<math>\big)\,</math> sur lequel s'exerce la résultante dynamique du système et, selon ce point de vue, le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un système de matière en translation n'est rien d'autre que le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un point matériel, lequel est, quant à lui, au programme <math>\;\ldots</math></ref>. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}<u>Préliminaire</u> : Un « système <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » peut, a priori, se déformer <ref name="système en rotation autour d'un axe"> Par exemple, en se dilatant, c.-à-d. que chaque point du système, en plus de sa rotation autour d'un axe fixe, s'éloigne radialement de cet axe <math>\,\big(</math>la vitesse d'éloignement pouvant être différente d'un point à un autre<math>\big)\,</math> mais dans ce cas il ne s'agit pas d'une rotation « pure » <math>\;\ldots</math> <br>{{Al|3}}Pour maintenir une même vitesse angulaire à un instant <math>\,t\,</math> pour tous les points d'un « système déformable », il faut que le mouvement orthoradial de chacun des points soit corrélé au mouvement radial correspondant, avec absence de mouvement axial, c.-à-d. que, pour deux points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> tels que la droite <math>\,M_iM_j\,</math> recoupe l'axe <math>\,\Delta\,</math> perpendiculairement en <math>\,H_{i,\,j}</math>, <math>\,\big[</math>les points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> ayant donc même abscisse angulaire <math>\,\theta_{i,\,j}(t)\big]\,</math> on ait <math>\,\dot{\theta}_{i,\,j}(t) = \overline{\Omega}(t)</math> <math>\,\big[</math>donc indépendant de <math>\,\left( i\,,\, j \right)\big]\,</math> pour tout instant <math>\,t\,</math> et pour tout couple <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> dont les éléments ont même abscisse angulaire, ces conditions étant très contraignantes sont quasiment jamais réalisées naturellement <math>\;\ldots</math></ref>, toutefois, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Préliminaire : un « système <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>fermé<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » }}il est, en pratique, indéformable et est alors qualifié de « solide » au sens de la mécanique ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Préliminaire : }}l’exposé ci-dessous s'applique à un système discret <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de points matériels ou un système continu <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}<u>Exposé</u> : Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière" /> indéformable, en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe <math>\,\Delta</math>, fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen », <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}tous les points ont le même vecteur rotation instantanée <math>\,\vec{\Omega}(t) = \overline{\Omega}(t)\;\vec{u}_{\Delta}\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\big[\vec{u}_{\Delta}\,</math> étant le vecteur unitaire orientant l'axe de rotation <math>\,\Delta\,</math> et <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\big[}</math>}}autour de cet axe de rotation <math>\,\Delta\big]\,</math> d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe"> Expression ne nécessitant pas que l'axe <math>\,\Delta\,</math> soit fixe, la fixité de l'axe dans un référentiel intervenant quand ce dernier est galiléen et quand on utilise l'un des théorèmes fondamentaux de la dynamique de rotation des systèmes <math>\,\big\{</math>par exemple le théorème de l'énergie cinétique établi dans ce paragraphe mais le traavail élémentaire déveeloppé par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» ne nécessite pas que <math>\,\Delta\,</math> soit fixe<math>\big\}</math>.</ref>{{,}} <ref name="travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur un système en rotation"> Voir le paragraphe « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> {{Nobr|«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)</math>}} <math>= \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;</math>» et le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\delta W\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right] = \mathcal{P}\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right]\;dt\;</math>» puis, en faisant la somme membre à membre de façon à définir le travail élémentaire du sytème des forces extérieures s'exerçant sur le système en rotation «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)\;dt\;</math>».</ref> où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> est le moment <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» ou, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>du travail élémentaire }}avec «<math>\;\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta\;</math>» dans lequel <math>\,\theta(t)\,</math> est l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, la réécriture <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>,«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>de la variation de l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}}\;</math>» avec, l'énergie cinétique, à l'instant <math>\,t</math>, de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le cadre de la cinétique newtonienne «<math>\;K_{\text{syst. en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en rotation autour d'un axe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d’un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d’un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> avec «<math>\;J_\Delta\,</math> le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}relativement à <math>\,\Delta\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe"> Voir la notion de moment d'inertie d'un système discret ou continu dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Application_à_un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe#Application_au_cas_d'un_«_système_fermé_de_matière_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe_«_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|application d'un système fermé de matière en rotation autour d'un axe Δ fixe quelconque dans un référentiel d'étuide galiléen]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> d'où, en cinétique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> appliqué à un solide <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_solide_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d'un système }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> avec «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» et «<math>\;\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <math>\,\overline{\Omega}(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}<math>= \dot{\theta}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> encore égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>avec <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> et <math>\,\theta(t)\,</math> l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" />, sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail du moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail du }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[\theta(t)\,</math> étant l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation est égale au travail du «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[\theta}\,</math> étant l'abscisse angulaire }}à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> étant le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = 2\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)}\;</math>» <math>\,\big[</math>}}<math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] <math>\,\big(</math>photographié ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_(non_amorti)|mise en équation différentielle du mouvement du pendule de torsion (non amorti)]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Théorème_de_la_puissance_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_autour_d'un_axe_Δ_fixe_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe dans un référentiel d'étude galiléen]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. {{Al|5}}Ci-contre le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec deux fils de torsion identiques de même constante de torsion «<math>\;C\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec }}positions de masselottes identiques <math>\,\big(</math>sauf pour la couleur<math>\big)\,</math> de part et d'autre du point <math>\,C\,</math><ref name="distinction entre point d'attache des fils sur la tige et constante de torsion des fils"> On accepte la même notation pour le point d'attache des deux fils sur la tige et la constante de torsion de ces derniers tant qu'il n'y a pas d'ambiguïté <math>\,\big(</math>ce qui ne devrait jamais arriver compte-tenu du fait que ces deux grandeurs sont de nature différente<math>\big)</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec positions de masselottes identiques }}<math>\,\big(C\,</math> point d’attache des deux fils de torsion sur la tige<math>\big)</math> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre <math>\,\big(</math>en absence de masselottes<math>\big)\,</math> diffère du « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] » de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici l'extrémité supérieure <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil de torsion supérieur est mobile au lieu d'être fixe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur étant dans les deux fixe et <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici la torsion initiale est fournie par rotation propre de <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> d'un angle «<math>\;2\,\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>repéré sur le cercle gradué lié à <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}</math>, position de référence du cercle gradué<math>\big)\,</math> <math>\Rightarrow</math> en pratique, après quelques oscillations, la tige <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}acquiert la position d'équilibre repérée par l'angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>voir vérification ci-dessous<math>\big)\,</math> alors que <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] la torsion initiale est fournie par rotation de la tige d'un angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>également repéré <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>dans le pendule du chap.7 }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}\big)</math>, la position d'équilibre de la tige étant repérée par l'angle nul ; {{Al|5}}<u>vérification de la position d'équilibre de la tige dans le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}orientant les deux fils de torsion du bas vers le haut, quand la tige acquiert la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion supérieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche"> Une hélice est « droite » si le point tourne sur la gauche <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique direct ou encore dans le sens antihoraire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée et <br>{{Al|31}}elle est « gauche » si le point tourne sur la droite <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique indirect ou encore dans le sens horaire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée <br>{{Al|3}}<math>\,\big[</math>revoir aussi la distinction « hélices gauche ou droite » dans le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Mouvement_de_particules_chargées_dans_des_champs_électrique_et_magnétique_:_Cas_particulier_d'un_champ_magnétostatique_uniforme#Nature_hélicoïdale_uniforme_du_mouvement_de_la_particule|nature hélicoïdale uniforme du mouvement de la particule]] » du chap.<math>24</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> d'un angle «<math>\;\theta_1 - 2\;\theta_1 = -\theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil"> L'angle de torsion du fil qui intervient dans le vecteur moment du couple de torsion est l'angle que fait l'extrémité mobile relativement à l'extrémité maintenue fixe même si cette extrémité est fixée avec torsion initiale comme c'est le cas pour le fil supérieur <math>\,\big\{</math>on peut vérifier que cette définition correspond bien au schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » car {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{A_0B_0}\;</math>»}} est lié à l'extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil supérieur et «<math>\;\overrightarrow{AB}\;</math>» à l’extrémité mobile <math>\,C\,</math> et il en est de même pour l'éventuel fil de torsion inférieur<math>\big\}</math>.</ref> par rapport à son extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion supérieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} = -C \left( -\theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion inférieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche" /> d’un angle «<math>\;\theta_1 - 0 = \theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil" /> par rapport à l’extrémité <math>\;O_{\text{inf}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion inférieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = -C \left( \theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = -C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur la tige vérifiant «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} + \vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = \vec{0}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur }}la tige est effectivement en équilibre dans cette position <math>\;\ldots</math> {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <math>\,\big\{</math>ensemble solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC"> L'axe <math>\,\Delta_C\,</math> est le support des fils de torsion.</ref> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemb}}le solide étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles"> Repérée par rapport à la position de l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemble solide étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des masselottes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des masselottes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des masselottes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur"> L'angle de torsion du fil supérieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 2\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation"> Il s'agit de l'application de la puissance instantanée développée par un système de forces extérieures sur un solide en rotation autour d'un axe fixe <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d'un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> quand le système de forces extérieures est équivalent à un couple <math>\,\big[</math>c.-à-d. un système dont la résultante est nulle et dont le moment résultant scalaire relativement à l'axe de rotation définit le moment scalaire du couple<math>\big]</math>.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur"> L'angle de torsion du fil inférieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 0 = \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cin%C3%A9tique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d'un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;</math> est le moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et masselottes » en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_C\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre"> Ce qui suppose que <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> est non identiquement nulle <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\theta(t)\,</math> n'est pas une constante c.-à-d. que le solide n'est pas à sa position d'équilibre.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à droite «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta_1\;</math>», équation différentielle linéaire <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants sans terme du 1^er ordre hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_non_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition non énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] », la présence d'un 2^nd membre constant signifiant que le paramètre caractérisant l'oscillateur dans l'espace n'est pas nul à l'équilibre.</ref> de rotation ; {{Al|5}}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Conséquence_«_le_pendule_de_torsion_(non_amorti)_est_un_oscillateur_harmonique_non_amorti_de_rotation_»|conséquence : le pendule de torsion (non amorti) est un oscillateur harmonique non amorti de rotation]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » ; [[File:Pendule de torsion amorti - vue de dessus.png|thumb|300px|Vue de dessus d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti par substitution d'ailettes planes aux masselottes fixées sur la tige <math>\,\big(</math>les fils de torsion supérieur et inférieur <math>\,\perp\,</math> au plan de la figure ne peuvent y être représentés<math>\big)</math>]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> du }}<math>\big(</math>voir vue de dessus partielle représentée ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre étant écarté initialement comme celui de début de paragraphe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, le pendule ci-contre étant écarté initialement }}la tige acquiert donc une position d'équilibre repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}l'ensemble « tige et ailettes » étant un solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC" /> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant }}le solide est, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant le solide est, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}les actions extérieures sont <math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des ailettes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{ailettte}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des ailettes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des ailettes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{ailette}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu dans lequel se déplace le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] exercent sur les ailettes, modélisées par un <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> }}couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion"> voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Couple_de_frottement_fluide_linéaire_agissant_sur_le_pendule_par_l’intermédiaire_des_ailettes|couple de frottement fluide linéaire agissant sur le pendule par l'intermédiaire des ailettes]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple }}<math>\big[H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}et du fluide sur lequel frottent les ailettes<math>\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide la puissance instantanée }}selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\,</math> est le moment d'inertie du solide « tige + ailettes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et ailettes » en rotation autour de <math>\,\Delta_C\,</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t) - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t) - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1 - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étudié «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta_1\;</math>», équation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}différentielle linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique" /> de rotation ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Loi_horaire_de_position_angulaire_du_pendule_de_torsion_amorti|loi horaire de position angulaire du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ». == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule pesant non amorti à un degré de liberté - forces extérieures.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté <math>\,\big(</math>schématisé ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_non_amorti_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_du_moment_cinétique_scalaire|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant non amorti (à un degré de liberté) par application du théorème du moment cinétique scalaire]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />. {{Al|5}}Ci-contre schéma de face du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] idéale <ref name="liaison idéale"> C.-à-d. dans laquelle on peut négliger les frottements solides.</ref> du solide en rotation autour de l’axe horizontal <math>\,\Delta_O\;</math><ref name="liaison pivot du pendule"> Pour plus de détails voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Présentation_du_pendule_pesant_(non_amorti)_«_P.P.(N.A.)_»|présentation du pendule pesant (non amorti) P.P.(N.A.)]] (liaison pivot avec le point O) » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Non Amorti.</ref> à un degré de liberté ayant un mouvement de rotation imposé par la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] du solide avec l'axe <math>\,\Delta_O</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté }}son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,O</math>, d'axe <math>\,\Delta_O\,</math> orienté par le vecteur unitaire «<math>\;\vec{u}_{\Delta_O}\;</math>» et <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,\color{transparent}{O}</math>, }}de rayon «<math>\;\mathfrak{a}\;</math>» avec, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. }}<math>G\,</math> repéré par son abscisse angulaire «<math>\;\theta_G(t) = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\overrightarrow{OG}(t) \right\rbrace} = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\vec{u}_r(t) \right\rbrace}\;</math>» <ref name="noté theta"> Noté «<math>\;\theta(t)\;</math>» par la suite en absence d'ambiguïté.</ref> ; {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = \left[ \overrightarrow{OG}(t) \wedge m\;\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_O} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids"> Le moment vectoriel du poids par rapport à <math>\,O\,</math> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)\;</math>» a établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_liaison_sphérique_et_avec_les_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b),_établissement_de_la_nature_plane_du_mouvement_du_C.D.I._G_du_P.P.(N.A.)|dans le cas d'une liaison sphérique et avec les C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), établissement de la nature plane du mouvement du C.D.I. G du P.P.(N.A.)]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] », soit «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\varphi_G}(t)\;</math>» avec <math>\,\vec{u}_{\varphi_G}\,</math> s'identifiant à <math>\,\vec{u}_{\Delta_O}</math>. <br>{{Al|3}}On pouvait aussi déterminer directement le moment scalaire du poids, le schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_«_liaison_pivot_»_ou_d’une_«_liaison_sphérique_avec_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b)_»,_nouveau_repérage_adapté_à_la_nature_rotatoire_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_à_un_degré_de_liberté|dans le cas d'une liaison pivot ou d'une liaison sphérique avec C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), nouveau repérage adapté à la nature rotatoire du mouvement du P.P.(N.A.) à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » étant fait avec le paramètre de position angulaire <math>\,\theta > 0</math>, on observe que le poids tend à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,-\,</math> avec un bras de levier <math>\,\big(</math>distance orthogonale séparant l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du support de <math>\,m\;\vec{g}\big)\,</math> égal à <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où, dans le cas où <math>\,\theta\,</math> est <math>\,> 0</math>, {{Nobr|«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)</math>}} <math>= - \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>» <math>\,\Big\{</math>le résultat est indépendant du signe de <math>\,\theta\,</math> mais si le schéma était fait avec <math>\,\theta < 0</math>, on observerait que le poids tendrait à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,+\,</math> avec un bras de levier <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = + \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = m\;g\;\left[ -\mathfrak{a}\; \sin(\theta) \right] = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>», soit effectivement le même résultat <math>\,\big[</math>avec toutefois une possibilité d'erreur si on oubliait que <math>\,\theta < 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert = -\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\big]\Big\}</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_particulier_où_M_est_en_mouvement_circulaire_d'axe_Δ_et_de_vitesse_angulaire_instantanée_Ω(t)|cas particulier où M est en mouvement circulaire d'axe Δ et de vitesse angulaire instantanée Ω(t)]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> de la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I."> Conditions Initiales.</ref> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O"> On a établi dans la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#cite_note-réduction_à_deux_composantes_de_la_réaction_dans_ces_C.I.-18|¹⁸]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » que la réaction du point <math>\,O\,</math> dans l'hypothèse d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] sur le pendule lancé dans les C.I. <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\,</math> ou <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\,</math> s'écrirait <math>\,\vec{R}(t) =</math> <math>R_{\rho_G}(t)\;\vec{u}_{\rho_G}(t) + R_z(t)\;\vec{u}_z</math>, c.-à-d. que la réaction serait dans le plan vertical de lancement soit encore «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» ; <br>{{Al|3}}on établit de même <math>\,\big[</math>sans que cela ait été exposé dans le chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> que la réaction de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le pendule quels que soient les C.I. de lancement compatibles avec la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] s'écrit «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>».</ref> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul"> En effet la force étant <math>\,\perp\,</math> à l'axe par rapport auquel son moment scalaire est évalué est de bras de levier nul.</ref> auquel s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe"> Le couple étant de moment vectoriel <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta_O</math>.</ref> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée à la date <math>\,t\,</math> par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée développée à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|7}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}sans terme du 1^er ordre ; {{Al|5}}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique"> On appelle « [[w:Solution_de_forme_fermée|solution analytique]] » d'une équation différentielle, une expression mathématique <math>\,\big(</math>souvent dite « formule explicite »<math>\big)\,</math> pouvant s'obtenir par une combinaison d'opérations et de [[w:Fonction_de_référence|fonctions de référence]] <math>\,\big(</math>c.-à-d. fonctions affines, puissances, trigonométriques et exponentielles ainsi que leurs fonctions inverses sur un domaine de définition restreint pour lequel il y a bijection et même certaines solutions d'équations différentielles dites de référence<math>\big)</math>, les opérations étant l'addition, la soustraction, la multiplication, la division et l'extraction de racines.</ref> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’élongations_angulaires_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'élongations angulaires non petites]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il est nécessaire de procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="solution analytique dans le cas d'élongations petites"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Cas_particulier_des_«_petites_élongations_angulaires_»,_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_=_oscillateur_harmonique_(non_amorti)_approché_de_rotation,_période_des_«_petites_oscillations_»|cas particulier des petites élongations angulaires, pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) oscillateur harmonique (non amorti) approché de rotation, période des petites oscillations]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. [[File:Pendule pesant amorti à un degré de liberté - forces extérieures - bis.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures, <math>\,I\,</math> étant le point où la résultante des forces de frottement fluide peut être appliquée]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti <math>\,\big(</math>voir coupe partielle représentée ci-contre<math>\big)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire" /> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I." /> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O" /> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul" /> où s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe" /> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu où se déplace le [[w:Pendule_pesant|pendule]] exercent sur ce dernier, modélisées par <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}un couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_O}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti" />{{,}} <ref name="définition de H"> <math>\,H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]], de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frotte le solide.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Amorti.</ref> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0 - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right] - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_O}}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}avec terme linéaire du 1^er ordre ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique" /> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’amplitudes_initiales_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'amplitudes initiales non petites]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il faut procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique - bis"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » nécessitant néanmoins d'ajouter le terme d'amortissement <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A." />. == « En complément », caractère conservatif du couple de torsion, énergie potentielle de torsion et conservation de l’énergie mécanique du pendule de torsion (non amorti) dans le champ de torsion du fil == {{Al|5}}Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » ne sont pas explicités dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » }}il me semble souhaitable de le retenir <math>\,\big(</math>et bien sûr d’être capable de le retrouver<math>\big)</math>. === Caractère conservatif du couple de torsion === {{Al|5}}Le travail élémentaire d’un couple de torsion s’exerçant sur un solide, de vecteur moment «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t) = -C\;\alpha(t)\;\vec{u}_\Delta\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Expression_du_vecteur_moment_du_couple_de_torsion_exercé_par_le_fil_en_fonction_de_l'angle_de_torsion_«_α(t)_»,_notion_de_constante_de_torsion_«_C_»_du_fil_de_torsion|expression du vecteur moment du couple de torsion exercé par le fil de torsion α(t), notion de constante de torsion C du fil de torsion]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> lors d’une torsion élémentaire «<math>\;d \alpha\;</math>» <ref name="définition de Delta et alpha sur le fil de torsion"> <math>\,\Delta\,</math> étant la direction du fil de torsion orienté par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et «<math>\;\alpha\;</math>» l'angle de torsion algébrisé, défini au niveau de la liaison au solide dans le plan <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta\,</math> et orienté par <math>\,\vec{u}_\Delta</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion }}étant défini selon «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>», <math>\,\big[\overline{\Omega}(t)\,</math> étant la vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt}\;</math>», <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \alpha\;</math>»<math>\big]\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> soit finalement <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon }}«<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -C\;\alpha\; d \alpha\;</math>» correspondant à une différentielle de fonction <math>\Rightarrow</math> le <u>caractère conservatif du couple de torsion</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple"> Pour montrer qu’une force est conservative, on évalue son travail élémentaire en prenant un vecteur déplacement élémentaire quelconque <math>\,\overrightarrow{dM}\,</math> à partir du point d'application <math>\,M\,</math> de la force <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#2ème_définition_(équivalente)_d'une_force_«_conservative_»|2^ème définition (équivalente) d'une force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> ; <br>{{Al|3}}lorsqu'il s’agit d'un couple de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, il faut évaluer son travail élémentaire en envisageant une rotation élémentaire quelconque autour de n'importe quelle direction, le couple est alors conservatif si ce travail élémentaire est une différentielle de fonction mais <br>{{Al|3}}{{Transparent|lorsqu'il s'agit d'un couple }}dans le cas d’un couple de torsion de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, la seule direction autour de laquelle peut s’effectuer une rotation élémentaire est celle du fil c.-à-d. celle de <math>\,\vec{\Gamma}\,</math> et par suite la seule condition pour que le couple de torsion soit conservatif est que son travail élémentaire en considérant une rotation élémentaire autour de la direction du fil de torsion soit une différentielle de fonction ou encore que « le moment scalaire du couple de torsion par rapport au fil ne dépende que de l'angle de torsion <math>\,\alpha\;</math>» C.Q.E.R. <math>\,\big(</math>Ce Qui Est Réalisé<math>\big)</math>.</ref>. === Énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion === {{Al|5}}L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,U_{\text{tors}}\,</math> dont « dérive » le couple de torsion de vecteur moment <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}est définie par «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#1ère_définition_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|1^ère définition de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> c.-à-d. «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(\alpha)\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\,</math> ou <math>\,-C\;\alpha\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <math>\Leftrightarrow</math> «<math>\;\dfrac{dU_{\text{tors}}}{d \alpha} = C\;\alpha\;</math>» soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}en intégrant «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2 + cste\;</math>» ; choisissant la référence de l’énergie potentielle de torsion <math>\;U_{\text{tors}}(\alpha)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle"> C.-à-d. l'endroit où l'énergie potentielle est choisie nulle.</ref> <br>{{Al|7}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> en intégrant «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\alpha) = 2\; C\;\alpha^2 + cste}\;</math>» ; choisissant la référence }}quand le fil n’est pas tordu c.-à-d. <math>\,U_{\text{tors}}(0) = 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = 0</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}l'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d’un fil et sa conservation en absence de frottement === [[File:Pendule de torsion sans masselottes - actions exercées.png|thumb|500px|Schéma d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] représenté sans masselottes additives et avec fil inférieur sans torsion avec ajout des actions exercées sur la tige à l'instant <math>\;t</math>]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec un seul fil de torsion, l'autre fil étant sans torsion <math>\,\big(</math>voir schéma ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec un seul fil de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}la seule action extérieure de moment scalaire non nul par rapport à la direction <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}commune du fil de torsion et du fil sans torsion <math>\;\big(</math>orientée par le vecteur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> étant le couple « conservatif » de torsion <ref name="conservativité du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Caractère_conservatif_du_couple_de_torsion|caractère conservatif du couple de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}moment vectoriel «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}} = -C\;\alpha\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion /> auquel on associe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie potentielle de torsion du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre valant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;U_{\text{tors}}(t) =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion énergie potentielle de torsion }}<math>\,\dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_torsion_du_solide_relié_au_fil_de_torsion|énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}son énergie cinétique à la date <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{pend. tors.}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique }}<math>J_{CO_{\text{sup}}}\,</math> est le moment d'inertie du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] relativement à la <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique <math>\color{transparent}{J_{CO_{\text{sup}}}}\,</math> est }}direction du fil de torsion et du fil sans torsion <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à l'instant <math>\,t\,</math> selon «<math>\;E_m(t) = K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Propriétés_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|propriétés de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] (2^ème propriété) » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha_0 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\alpha(0) = \alpha_0\;</math> et <math>\,\dot{\alpha}(0) = 0\;</math>». [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]]]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige <math>\,\big(</math>voir photographie ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec deux fils de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}il y a deux actions extérieures s'exerçant sur le solide « tige + masselottes » de moment scalaire non nul par rapport à <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}la direction commune <math>\,\Delta_C\,</math> des deux fils de torsion <math>\,\big(</math>orientée par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}élémentaire du solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}prouve le <u>caractère conservatif du couple de torsion du fil supérieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}supérieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = -d U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta = -d U_{\text{tors. sup.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. sup.}}}{d \theta} = C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\,</math> qui s'intègre en <math>\,U_{\text{tors. sup.}}</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,= \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> et, en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. sup.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du solide à l'équilibre » c.-à-d. <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre"> Revoir l'explication rappelée dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans le chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil supérieur du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta_1 - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_1 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion"> Symboliquement l'énergie potentielle d'un solide dans le champ de torsion d'un fil de torsion s'obtient, à une constante additive près, par la moitié du produit de la constante de torsion du fil et du carré de l'angle de torsion, à l'instant <math>\;t</math>, du fil au point d'attache du solide.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation élémentaire du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\; \theta(t)\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et prouve le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<u>caractère conservatif du couple de torsion du fil inférieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}inférieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = -d U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\;\theta\;d \theta = -d U_{\text{tors. inf.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. inf.}}}{d \theta} = C\; \theta\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{tors. inf.}} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} + cste_2\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. inf.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position du solide à l'équilibre » c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil inférieur du solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2} + cste_2 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_2 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}finalement l'énergie potentielle globale de torsion du solide « tige + masselottes » <math>\,\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale }}s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = U_{\text{tors. sup.}}(\theta) + U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» ou, en simplifiant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale s'écrit }}«<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2\;</math>» <ref> En effet <math>\,\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + 2\;C\; \theta_1^{\,2} + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + C\; \theta_1^{\,2} = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2</math>.</ref>{{,}} <ref> Cette énergie potentielle de torsion du solide « tige + masselottes » est la même que celle que l'on obtiendrait avec un seul fil de torsion de constante de torsion <math>\,2\,C</math>, l'autre fil étant sans torsion avec la référence en la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>.</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule ci-dessus étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «<math>\;\color{transparent}{K_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#%Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torion par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique de l'ensemble tige + masselottes) » plus haut dans ce chapitre.</ref> avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule }}<math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion des deux fils définie, à l'instant <math>\,t\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie mécanique }}«<math>\;E_m(t) = K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}\! \left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\alpha\;</math>» dans le 1^er exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] ou <br>{{Al|57}}celui «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta - \theta_1 \right]^2 \,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du 2^ème exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|même]] paragraphe <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}étant parabolique, nous retrouvons la <u>2^ème définition d’un oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math>de rotation<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_(équivalente)_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition (équivalente) énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. <br>{{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> de son mouvement dans le 2^ème exemple du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}«<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2 = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>», <br>{{Al|58}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}les C.I. <ref name="C.I." /> étant «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}est donc une <u>ellipse décrite dans le sens horaire</u> <ref name="portrait de phase d'un socillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Tracé_du_portrait_de_phase_de_la_charge_du_condensateur_d'un_«_R_L_C_série_»_soumis_à_un_échelon_de_tension_suivant_le_cœfficient_d'amortissement|propriétés des portraits de phase de la charge du condensateur d'un RLC série soumis à un échelon de tension suivant le cœfficient d'amortissement]] (cas d'un circuit oscillant non amorti en vert) » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. == Conservation de l’énergie mécanique du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) dans le champ de pesanteur uniforme == === Énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant === {{Al|5}}Dans le cas d'un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref><math>\big)</math>, le poids du solide étant la seule action extérieure travaillant et ce dernier étant conservatif <ref name="poids d'un objet conservatif"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Établissement_du_caractère_«_conservatif_»_du_poids_d'un_point_matériel_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|établissement du caractère conservatif du poids d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, }}on lui associe l'énergie potentielle de pesanteur «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta)\;</math>» <ref name="énergie potentielle de pesanteur"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#«_Énergie_potentielle_de_pesanteur_d'un_point_matériel_»_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|énergie potentielle de pesanteur d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> déterminée en intégrant «<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = -dU_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> avec <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)\,</math> travail élémentaire du poids lors d'une rotation élémentaire d'angle <math>\,d \theta = \dot{\theta}(t)\;dt\,</math> autour de <math>\,\Delta_O\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe «<math>\;\color{transparent}{\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)}\,</math>}}<math>= \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;dt = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)\;dt = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;d \theta\;</math>» <ref name="travail élémentaire du poids du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (actions extérieures exercées sur le solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> d'où <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}<math>\,-dU_{\text{pes}} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\;d \theta\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{pes}}}{d \theta}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\,</math> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right) + cste\;</math>» <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}soit, en choisissant comme référence de l'énergie potentielle <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> « la position <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}d'équilibre stable de ce dernier <ref name="équilibre stable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessous de ce dernier.</ref> <math>\,\theta_{\text{éq. stable}} = 0\;</math>» d'où <math>\,U_{\text{pes}}(0) = 0\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}<math>\Rightarrow</math> <math>\,0 = -m\;g\;\mathfrak{a} + cste\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = m\;g\;\mathfrak{a}\,</math> d'où l'expression de <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}l'énergie potentielle de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> se réécrit selon <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta \right) \right]\;</math>» <ref> Pour trouver l'expression de l'énergie potentielle de pesanteur on peut aussi utiliser <math>\,\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = m\;g\;dz_G = -dU_{\text{pes}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{pes}} = -m\;g\;z_G + cste\,</math> sachant que <math>\,z_G = \mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right)\,</math> avec pour position d'équilibre stable <math>\,z_{G,\,\text{éq. stable}} = \mathfrak{a}</math> <math>\;\ldots</math></ref> <math>\,\big(</math>référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : la position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement === {{Al|5}}Considérant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A." /><math>\big)</math>, l'énergie potentielle de pesanteur étant «<math>\;U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right] = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\,</math> avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> <math>\,\theta_{\text{équi. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P."/> » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> et <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie cinétique du solide constituant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique du solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> dans laquelle <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie cinétique}}«<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du solide par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie mécanique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> dans le champ de pesanteur «<math>\;E_m\!(t) = K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) + U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right]</math> <br>{{Al|23}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie mécanique du P.P.N.A. dans le champ de pesanteur «<math>\;\color{transparent}{E_m\!(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{P.P.N.A.}}(t) + U_{\text{pes}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P..P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\,\left[ 1 - \cos(\theta) \right]\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}n'étant pas parabolique <math>\,\big(</math>mais sinusoïdal<math>\big)</math>, nous pouvons affirmer que <u>le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> n'est pas un oscillateur harmonique</u> <math>\,\big(</math>quand il est en situation d'osciller<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <math>\blacktriangleright\;</math>« oscillatoire pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'énergie mécanique initiale du P.P.N.A. vaut «<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^2 + m\;g\; \mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta_0 \right) \right]\;</math>».</ref> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. est }}<math>\blacktriangleright\;</math>« révolutive pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="étude du mouvement d'un P.P.N.A. par diagramme d'énergies"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Étude_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_dans_le_cas_général_des_élongations_angulaires_non_petites_par_diagramme_énergétique|étude du mouvement du P.P.(N.A.) dans le cas général des élongations angulaires non petites par diagramme énergétique]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}de démontrer, avec utilisation simultanée de l'intégrale 1^ère énergétique <ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'intégrale 1^ère énergétique du P.P.N.A. s'écrit «<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^{\,2} + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet de démontrer, }}la nature « périodique <math>\,\big(</math>oscillatoire ou révolutive<math>\big)\;</math>» ainsi que <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}d’établir l’expression de la période sous forme intégrale <math>\ldots</math> {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Les [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d’un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ayant pour équation implicite l’intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\;</math><ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" /> de son mouvement lequel dépend de la valeur de l'énergie mécanique initiale <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />, <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. }}diffèrent suivant <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="différents portraits de phase d'un P.P.N.A."> Voir les paragraphes « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Tracé_des_portraits_de_phase_dans_le_cas_général_«_d'oscillations_ou_de_mouvement_révolutif_»_d'un_P.P.S._lancé_dans_les_C.I._«_1b_U_1a_»|tracé des portraits de phase dans le cas général d'oscillations ou de mouvement révolutif d'un P.P.S. lancé dans les C.I. 1b U 1a]] » du chap.<math>12</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\,\big(</math>l'allure des [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti étant la même que ceux d'un [[w:Pendule_simple|pendule simple]] non amorti<math>\big)\,</math> et « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Différents_portraits_de_phase_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté),_«_bifurcation_»_entre_mouvement_«_pendulaire_»_et_révolutif|différents portraits de phase du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté), bifurcation entre mouvement pendulaire et révolutif]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>pendulaire</u> <ref name="pendulaire"> Adjectif synonyme d'« oscillatoire ».</ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>fermé</u>, décrit dans le « <u>sens horaire</u> » <ref name="justification du sens horaire"> Ou « trigonométrique indirect », en effet « quand <math>\,\dot{\theta}\,</math> est <math>\,> 0</math>, <math>\,\theta \nearrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \nearrow\,</math> puis <math>\,\searrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule » ensuite «<math>\;\dot{\theta}\,</math> est <math>\,< 0</math>, correspondant à <math>\,\theta \searrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \searrow\,</math> puis <math>\,\nearrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule de nouveau » <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}avec le point «<math>\;\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)\;</math>» comme « <u>centre de </u>{{Nobr|<u>symétrie</u> » <ref name="justification du centre de symétrie"> Invariance de l’équation en changeant «<math>\;\theta\,</math> en <math>\,-\theta\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des vitesses angulaires <math>\,\big(</math>en fait antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>» et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Invariance de l’équation }}en changeant «<math>\;\dot{\theta}\,</math> en <math>\,-\dot{\theta}\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des abscisses angulaires <math>\,\big(</math>là encore c'est une antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|3}}l’association des deux symétries axiales <math>\,\big(</math>ou plutôt des deux antisymétries axiales<math>\big)\,</math> donnant un centre de symétrie pour l'intersection des deux axes <math>\,\big[</math>le point d'intersection des deux axes étant réellement une symétrie centrale <math>\,\big(</math>et non une antisymétrie centrale<math>\big)</math>.</ref>}} <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, avec le point «<math>\;\color{transparent}{\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)}\;</math>» }}correspondant à la position d’équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /> du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ; <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> }}<math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>révolutif</u>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>ouvert</u>, constitué de la <u>répétition du motif de l'intervalle</u><math>\;\left] -\pi\, , \, \pi \right]</math>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase }}répété <math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \nearrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} > 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 > 0\;</math>» ou <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase répété }}<math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \searrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} < 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 < 0\;</math>», <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)\;</math>» et celui avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,-\dot{\theta}_0 > 0 \right)\;</math>» <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, le portrait de phase avec C.I. «<math>\;\color{transparent}{\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)}\;</math>» }}étant <u>antisymétriques</u> l'un de l'autre, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>maxima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre stable</u> <ref name="équilibre stable du P.P." /> «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres stables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» ;<br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}\;</math>»<math>\big)\;</math> alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big)</math>.</ref> et <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>minima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre instable</u> <ref name="équilibre instable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessus de ce dernier.</ref> «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;</math> <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, les minima de<math>\;\color{transparent}{\vert \dot{\theta} \vert}\;</math>obtenus pour les positions d’équilibre instable «<math>\;\color{transparent}{\theta_{\text{éq. inst.}} =}</math> }}<math>\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres instables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = -\left( 2\;p' + 1 \right)\, \pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big[</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big]\;</math>.</ref>. == « Généralisation » à tout « solide » : « théorème de la variation de l’énergie mécanique » et la forme locale associée « le théorème de la puissance mécanique », application au cas d’un solide amorti == {{Al|5}}Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à la généralisation à tout système de points matériels ou continu de matière « indéformable » <ref name="solide au sens de la mécanique" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à }}la généralisation aux systèmes de points matériels ou continus de matière « déformables » sera faite dans le chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Lois_de_l'énergie_cinétique_pour_un_système_déformable_de_points_matériels#«_En_complément_»,_théorème_de_la_variation_de_l’énergie_mécanique_appliqué_à_un_système_de_matière_déformable_dans_le_champ_des_forces_extérieures_et_intérieures_conservatives_et_sa_forme_locale_«_le_théorème_de_la_puissance_mécanique_»|en complément : théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un système de matière déformable dans le champ des forces extérieures et intérieures conservatives et sa forme locale le théorème de la puissance mécanique]] » du chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. === Théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s’écrivant «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\bullet\;</math>celles qui sont conservatives <math>\,\big(</math>lesquelles « dérivent » d’une énergie potentielle<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{ransparent}{\bullet}\;</math>}}dont le travail pendant cette durée finie est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées }}<math>\bullet\;</math>celles qui sont non conservatives <ref name="non conservatives"> Ou, si elles sont conservatives, dont on ne considère pas le caractère « conservatif ».</ref> dont le travail pendant cette durée finie <br>{{Al|12}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>celles qui sont non conservatives dont }}est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}d'où «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou, avec «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, }}<math>\big(U_{\text{ext}}\,</math> étant l'énergie potentielle dont dérivent les forces conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, <math>\color{ransparent}{\big(}</math>}}définie à une constante additive près précisée par choix de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}<math>\Rightarrow</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» d’où la réécriture du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « solide <math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\left( \mathcal{S} \right)} + U_{\text{ext}} \right] = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» où on reconnaît dans le 1^er membre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}la variation de l’énergie mécanique «<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t) + U_{\text{ext}}\!(t)\;</math>» du solide «<math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le champ des forces conservatives sur la durée <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> dans le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où dans le champ des forces conservatives }}référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen d'où, finalement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}le lien entre la variation de l'énergie mécanique du « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;\Delta E_m = E_{m,\,\mathcal{F}} - E_{m,\,\mathcal{I}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» le lien }}le travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> sur cette même durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}«<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» applicable à un solide dans un référentiel d’étude galiléen, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}l'énoncé du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie dans un référentiel galiléen <ref> Ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. sous la forme où il existe des forces extérieures non conservatives dissipatives mais, comme le cas où toutes les forces extérieures travaillant sont conservatives est clairement explicité <math>\,\big(</math>sous la forme de la conservation de l’énergie mécanique du solide<math>\big)</math>, le cas où il existe des forces extérieures travaillant et non conservatives <math>\,\big(</math>comme des forces de frottement<math>\big)\,</math> s’appliquant à un solide peut difficilement être ignoré d'où l'ajout du théorème sous sa forme la plus générale <math>\;\ldots</math></ref>. : {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}<math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <math>\,K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation «<math>\;\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» }}égale au travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale au travail }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire dans un référentiel galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique }}se déduit aisément de sa forme sur une durée finie soit {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}conservatives <math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}<math>K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> <math>\color{transarent}{K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)}\,</math> l'énergie cinétique }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation élementaire«<math>\;d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t)\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» }}égale au travail élémentaire des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» égale au travail }}appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;d E_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide }}est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée finie ou élémentaire se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>». === Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de la puissance mécanique est la forme locale associée à la forme intégrée <ref name="forme intégrée de forme locale" /> “ théorème de la variation de l'énergie mécanique sur une durée finie ou élémentaire ” ; {{Al|5}}pour obtenir cette forme locale on écrit le théorème de la variation de l’énergie mécanique d’un solide dans le champ des forces extérieures conservatives entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math><ref> C.-à-d. la forme élémentaire du théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un solide.</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on écrit }}«<math>\;dE_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\,</math> dans un référentiel galiléen » puis, <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on divise les deux membres par <math>\,dt\,</math> soit «<math>\;\dfrac{dE_m}{dt} = \dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{dE_m}{dt}\;</math>» est la dérivée temporelle de l’énergie mécanique du solide dans le champ des forces extérieures conservatives définissant <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}la puissance mécanique du solide à l'instant <math>\,t\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives, notée «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» la puissance instantanée développée, à l'instant <math>\,t</math>, par les forces extérieures non conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}appliquées au solide notée «<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on obtient «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» d'où l'énoncé du théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen : {{Théorème|titre=Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide »|contenu = {{Al|5}}La puissance mécanique à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> <math>\big[</math>avec, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie mécanique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{ext}}(t)}\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces }}conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math>» l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique }}est égale à la puissance instantanée développée par les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique est égale à }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> au même instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide à un instant <math>\,t\,</math> quelconque se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}c.-à-d., après intégration, « la conservation de l’énergie mécanique du solide précédemment défini ». === Application au cas d’un solide amorti === {{Al|5}}Parmi les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées à un solide et travaillant, « les plus fréquentes sont dissipatives » <ref> Mais elles peuvent aussi être motrices par exemple, si nous souhaitons que les oscillations d’un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ou d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] perdurent alors qu’existent naturellement des frottements {{Nobr|<math>\,\big(</math>même}} minimes<math>\big)</math>, il est nécessaire de les entretenir à l’aide d’une force extérieure motrice compensant les forces de frottement, cette force motrice étant alors usuellement non conservative tout comme le sont les forces de frottement.</ref> comme les forces de frottement fluide <math>\,\big(</math>ou solide<math>\big)</math> ; {{Al|5}}si les seules forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> travaillant sont des forces de frottement s'exerçant sur un solide en mouvement dans un référentiel galiléen, <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces }}conservatives <ref name="théorème de la puissance mécanique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_la_puissance_mécanique_appliqué_à_un_«_solide_»|théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}s’écrivant «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{frott}}\!(t) < 0\;</math>» dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}l'énergie mécanique de ce solide «<math>\;E_m(t) \searrow\,</math> au sens strict » avec <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}</math> <math>\big(</math>il est qualifié d'« amorti »<math>\big)</math>. ==== Cas particulier du pendule de torsion amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] dont la photographie est dans un « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|paragraphe plus haut dans ce chapitre]] » mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}avec les masselottes remplacées par des ailettes comme présenté dans le schéma de vue de dessus de la « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|remarque du paragraphe précité]] », <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d'un fil et sa conservation en absence de frotemment]] (2^ème exemple) » plus haut dans ce chapitre dans lequel <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> doit être remplacée par <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})</math>.</ref> dans le référentiel <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « }}<math>\big\{</math>avec <math>\,U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> la position d'équilibre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « <math>\color{transparent}{\big\{}</math>avec <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2}\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence }}du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}on en déduit la puissance mécanique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;\dot{E}_m(t) = J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + 2\;C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]\,\dot{\theta}(t)\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}la puissance des forces de frottement fluide linéaire <math>\,\big(</math>seule force extérieure non conservative travaillant de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion" /><math>\big)\,</math> agissant sur les ailettes du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étant «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» {{Al|5}}le « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Couple_de_frottement_fluide_linéaire_agissant_sur_le_pendule_par_l’intermédiaire_des_ailettes|couple de frottement fluide linéaire agissant sur le pendule par l'intermédiaire des ailettes]] » dont le moment scalaire relativement à l'axe <math>\;\Delta_C\;</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C} = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» établi au chap.<math>7</math> de la leçon « Mécanique 2 (PCSI) » <math>\;\big[H\;</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frottent les ailettes<math>\big]\;</math> montre qu'il est non conservatif <ref name="raison du caractère non conservatif"> En effet pour que ce couple soit conservatif il faudrait que son moment scalaire ne dépende que de <math>\;\theta\;</math> ou soit constant mais en aucun cas dépendant de <math>\;\dot{\theta}</math>.</ref>, la puissance du couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\;t</math>, selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant «<math>\;E_m(t) = K(t) + U_{\text{tors}}\!\left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2\!(t) + \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2}\!(t) - C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d'un fil et sa conservation en absence de frottement]] » plus haut dans ce chapitre en remplaçant « solide + masselottes » par « solide + ailettes ».</ref> à l'instant <math>\;t\;</math> dans le référentiel d'étude <math>\;\mathcal{R}</math>, <math>\;\big[J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;</math> étant le moment d'inertie du solide « tige + ailettes » relativement à l'axe commun <math>\;\Delta_C\;</math> des deux fils <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /><math>\big]\;</math> on en déduit aisément, dans <math>\;\mathcal{R}\;</math> et à l'instant <math>\;t</math>, la puissance mécanique du solide « tige + ailettes » dans le champ de torsion des fils en formant <math>\;\dot{E}_m(t) = \dfrac{d E_m}{dt}(t)\;</math> puis {{Al|5}}l’application du théorème de la puissance mécanique au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> nous conduit à «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» ou «<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» soit encore, {{Al|5}}en explicitant la dérivée temporelle de l’énergie mécanique puis en divisant par «<math>\;\dot{\theta}\!(t)\;</math>», l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon «Mécanique 2 (PCSI)» à savoir <center>«<math>\;J_{\Delta_C}\!\left( \text{tige} + \text{ailettes} \right)\;\ddot{\theta}(t) + H\;\dot{\theta}(t) + 2\;C\;\theta(t) = 2\;C\;\theta_1\;</math>».</center> ==== Cas particulier du pendule pesant à un degré de liberté amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] à un degré de liberté du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre avec des frottements fluides linéaires comme présenté dans la vue de profil de la remarque du paragraphe précité, {{Al|5}}à la force extérieure «<math>\;m\;\vec{g}\;</math>», conservative, s'exerçant sur le P.P.A. <ref name="P.P.A." /> et « dérivant » de l'énergie potentielle de pesanteur de ce dernier, à savoir «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) =</math> <math>m\;g\;\mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos(\theta) \right]\;</math>» <math>\;\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre stable du solide <math>\;\theta_{\text{éq. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P." /><math>\big)\;</math><ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, il convient d'ajouter {{Al|5}}les forces de frottement fluide linéaire dont le moment scalaire relativement à l'axe <math>\;\Delta_O\;</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t) = -H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» a été établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « Mécanique 2 (PCSI) » <math>\;\big[H\;</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du pendule, de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel il frotte<math>\big]\;</math> montre que ces forces de frottement est un système non conservatif <ref name="raison du caractère non conservatif" />, la puissance de ces forces de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\;t</math>, selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right] =</math> <math>\mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t)\;\dot{\theta}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}l'énergie mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> étant «<math>\;E_m(t) = K(t) + U_{\text{pes}}\!\left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> à l'instant <math>\;t\;</math> dans le référentiel d'étude <math>\;\mathcal{R}</math>, <math>\;\big[J_{\Delta_O}\;</math> étant le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> relativement à son axe <math>\;\Delta_O\;</math> de rotation <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /><math>\big]\;</math> on en déduit aisément, dans <math>\;\mathcal{R}\;</math> et à l'instant <math>\;t</math>, la puissance mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en formant <math>\;\dot{E}_m(t) = \dfrac{d E_m}{dt}(t)\;</math> puis {{Al|5}}l’application du théorème de la puissance mécanique au P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> nous conduit à «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right]\;</math>» ou «<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» soit encore, {{Al|5}}en explicitant la dérivée temporelle de l’énergie mécanique puis en divisant par «<math>\;\dot{\theta}\!(t)\;</math>», l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon «Mécanique 2 (PCSI)» à savoir <center>«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) + H\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>».</center> == Notes et références == <references /> {{Bas de page | idfaculté = physique | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie|Approche énergét. du mouv. d'un sol. en rotat. autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels|Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels]] }} 6p3xr5p4mwazxi2xgweiqg8ul228n2d 987942 987941 2026-10-31T16:48:06Z Phl7605 31541 987942 wikitext text/x-wiki {{Chapitre | idfaculté = physique | numéro = 12 | niveau = 14 | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie/]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels/]] }} <center>Ce chapitre est traité dans le cadre de la dynamique newtonienne avec ajout de quelques éléments de dynamique relativiste.</center> == Théorème de l'énergie cinétique d’un système de matière, cas d’un solide en rotation autour d’un axe fixe == {{Al|5}}Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}est évidemment à connaître comme forme intégrée de la forme locale <ref name="forme intégrée de forme locale"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Lois_de_la_puissance_et_de_l'énergie_cinétiques#Différence_entre_«_forme_locale_de_la_dynamique_»_et_«_forme_intégrée_associée_à_cette_forme_locale_»|différence entre forme locale de la dynamique et forme intégrée associée à cette forme locale]] » du chap.<math>15</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> « théorème de la puissance <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}cinétique d'un système de matière » laquelle est inscrite explicitement dans le programme <math>\;\ldots</math> === Définition du travail du système des forces extérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque"> Par « système de matière quelconque » il faut entendre « système fermé discret de points matériels ou continu de matière » « déformable ou non ».</ref> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1"> A priori <math>\,N\,</math> pourrait être égal à <math>\,1\,</math> mais ce ne serait plus un système de points matériels mais un simple point matériel.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes"> C.-à-d. l’ensemble des paramètres de position et de vitesse de tous les points à l'instant de définition de l'état, tous ces paramètres permettant d’y décrire le système.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> entre }}l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Expression_du_travail_élémentaire_de_la_force_dont_le_point_d’application_subit_le_vecteur_déplacement_élémentaire_correspondant_à_la_durée_élémentaire_de_développement_de_sa_puissance|expression du travail élémentaire de la force dont le point d'application subit le vecteur déplacement élémentaire correspondant à la durée élémentaire de développement de sa puissance]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - bis"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="infiniment proches"> Instants infiniment proches.</ref>, son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité volumique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance volumique <math>\,\mathcal{P}_{\text{vol},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t)</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité surfacique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance surfacique <math>\,\mathcal{P}_{\text{surf},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) =</math>}} <math>\sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité linéique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance linéique <math>\,\mathcal{P}_{\text{lin},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right] dt\;</math>».</ref>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« chaque point <math>\,\color{transparent}{M_i}\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> entre «<math>\;\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\;</math>» }}son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\,</math> étant aussi tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces extérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces extérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" />. === Définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est également présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2"> Pour l'existence de forces intérieures appliquées à un système, <math>\,N\,</math> doit être évidemment <math>\,\geqslant\,</math> à <math>\,2</math>.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes" /> et l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" /> sachant que <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir }}le système des forces intérieures s'exerçant sur le système discret fermé de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le système des forces intérieures }}est défini comme « l'ensemble des forces <math>\,\vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t)\,</math> que chaque point <math>\,M_j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, exerce sur chaque point <math>\,M_i,\;\;i \neq j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math>» <ref name="système de forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Forces,_principe_des_actions_réciproques#Système_des_forces_intérieures_s’exerçant_sur_un_système_de_points_matériels_fermé|système des forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math> entre les instants <math>\;t\;</math> et <math>\;t + dt\;</math> selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i} \right]\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - ter"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> dans lequel, chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \mu(M')\;d \mathcal{V}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bivolumique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}}{d \mathcal{V}_{M'}\;d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \sigma(M')\;d S_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\;</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bisurfacique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}}{d S_{M'}\;d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \lambda(M')\;d \mathit{l}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\;\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bilinéique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}}{d \mathit{l}_{M'}\;d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace dt\;</math>».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces intérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces intérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière" />. {{Al|5}}<u>Remarque 1</u> : Le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures }}peut aussi être défini à partir de la puissance instantanée développée par les forces intérieures s’exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="définition de la puissance développée par les forces intérieures"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Définition_2|définition]] (de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures peut aussi être défini }}selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - tetra"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : }}le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}s'obtenant en ajoutant tous les travaux élémentaires de <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}peut se calculer à partir de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> peut se calculer }}par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>». {{Al|5}}<u>Remarque 2</u> : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math><ref name="définition du référentiel Rj"> Le référentiel «<math>\;\mathcal{R}_j\;</math>» est le référentiel lié à <math>\,M_j\,</math> en translation par rapport au référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#cite_note-puissance_des_forces_intérieures_s'exerçant_sur_système_continu_de_matière_-_ter-55|⁵⁵]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> dans le référentiel <math>\,\color{transparent}{\mathcal{R}}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}_{\text{int}}(t)}</math> }}<math>= \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Autres_expressions_équivalentes|autres expressions équivalentes]] de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj"> Le point <math>\,M_i\,</math> décrivant dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_j</math> <math>\,\big[</math>lié à <math>\,M_j\,</math> et en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\big]\,</math> une trajectoire particulière <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}\;</math> entre les deux instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t)\big]\,</math> étant tangent à <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}</math>.</ref> ou <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures «}}<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right]\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : }}de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière" />{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" />{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" />. {{Al|5}}<u>Remarque 3</u> : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nulle <ref name="puissance des forces intérieures en général non nulle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (1^ère conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu"> Système discret de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique"> Le système se comporte donc comme un solide au sens de la mécanique.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures nulle pour un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (3^ème conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = 0\;\;\forall\;t\,</math> pour <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = 0\;\;\forall\;\left[ t\,,\,t + dt \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> le devient }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = 0\;\;\forall\;\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> ». === Théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Partant du théorème de la puissance cinétique appliqué, à l'instant <math>\,t</math>, à un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Énoncé|énoncé]] du théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> dans lequel <math>\,\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math> est la puissance cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{ext}}(t)\,</math> la puissance développée par les forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\,</math> celle développée par les forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la même date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on multiplie par <math>\,dt\,</math> pour obtenir la forme élémentaire du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir la forme élémentaire }}entre «<math>\;t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\;</math>» où <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> est la variation élémentaire d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{ext}}\,</math> le travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{int}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur le même <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on intègre entre <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique }}entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec <math>\,\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\,</math> variation d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\,</math> }}sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> le travail des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> le travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> celui des forces intérieures }}sur le même <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>. {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> étant nul quel que soit le mouvement du système » <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Définition_du_travail_du_système_des_forces_intérieures_appliquées_à_un_«_système_de_matière_»_entre_un_état_initial_et_un_état_final|définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un système de matière entre un état initial et un état final]] (remarque 3) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul }}<math>\Rightarrow</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide sous sa forme élémentaire ou <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide }}sur une durée finie : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière en translation » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière"> Système fermé discret fermé de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> en translation » <ref name="système en translation"> Un « système de matière en translation » ne se déformant pas peut aussi être qualifié de « solide » au sens de la mécanique.</ref>, tous les points ont le même vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> égal à celui du C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> <math>\,G\,</math> du système, d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\!G}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <ref name="signification du travail élémentaire développé par les forces extérieures appliquées à un système en translation"> Dans cette 3^ème expression «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» est aussi « le travail élémentaire qui serait développé, sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\,t + dt \right],</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>, par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans <math>\,\mathcal{R}\;</math>» <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», ce dernier s'obtenant par application du théorème du mouvement du C.D.I. <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Principe_fondamental_de_la_dynamique_et_théorème_de_la_résultante_cinétique#Énoncé_du_théorème_(dynamique_newtonienne)|énoncé du théorème (dynamique newtonienne)]] du mouvement du C.D.I. d'un système » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> correspondant aussi à l'application de la r.f.d.n. <math>\,\big(</math>relation fondamentale de la dynamique newtonienne<math>\big)\,</math> au point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>» sur lequel s'exercerait la résultante dynamique<math>\big\}</math>.</ref> dans laquelle «<math>\;\vec{F}_{\text{ext}}(t)\;</math> est la résultante <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}«}}dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» <ref> Voir les paragraphes « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_en_translation_»|cas d'un système de matière en translation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » et « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissancce développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces intérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{int},\,\text{syst. en transl.}} = 0\;</math>» <ref name="système en translation" />{{,}} <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>de la variation élémentaire de l'énergie cinétique du système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en transl.}}\;</math>» avec «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="signification de l'énergie cinétique d'un système en translation"> Dans cette 2^ème expression «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» est aussi « l'énergie cinétique newtonienne du point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans {{Nobr|<math>\,\mathcal{R}\,</math>»}} <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», tous les points du système en translation ayant même vitesse que le C.D.I. <math>\,G\big\}</math>.</ref> l'énergie cinétique <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, dans le cadre de la cinétique newtonienne <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en translation"> Voir le paragraphe « énergie cinétique dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Cas_d'un_système_en_translation|cas d'un système en translation]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique }}appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" />{{, }} <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque dans un référentiel galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> nous obtenons : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un référentiel <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière en translation <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> étant le C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> et <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =}</math> }}la résultante dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\,</math> ou <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste"> Applicable sous cette forme dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste.</ref> avec <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="système fermé de matière" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système en translation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =</math> <math>K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail effectué par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail effectué par la résultante dynamique }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <br>{{Al|208}}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Ce théorème <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais il doit bien sûr être connu <ref> Sans doute ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. car on considère usuellement un système de matière en translation comme un point matériel <math>\,\big(</math>le C.D.I. <math>\,G\,</math> du système<math>\big)\,</math> sur lequel s'exerce la résultante dynamique du système et, selon ce point de vue, le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un système de matière en translation n'est rien d'autre que le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un point matériel, lequel est, quant à lui, au programme <math>\;\ldots</math></ref>. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}<u>Préliminaire</u> : Un « système <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » peut, a priori, se déformer <ref name="système en rotation autour d'un axe"> Par exemple, en se dilatant, c.-à-d. que chaque point du système, en plus de sa rotation autour d'un axe fixe, s'éloigne radialement de cet axe <math>\,\big(</math>la vitesse d'éloignement pouvant être différente d'un point à un autre<math>\big)\,</math> mais dans ce cas il ne s'agit pas d'une rotation « pure » <math>\;\ldots</math> <br>{{Al|3}}Pour maintenir une même vitesse angulaire à un instant <math>\,t\,</math> pour tous les points d'un « système déformable », il faut que le mouvement orthoradial de chacun des points soit corrélé au mouvement radial correspondant, avec absence de mouvement axial, c.-à-d. que, pour deux points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> tels que la droite <math>\,M_iM_j\,</math> recoupe l'axe <math>\,\Delta\,</math> perpendiculairement en <math>\,H_{i,\,j}</math>, <math>\,\big[</math>les points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> ayant donc même abscisse angulaire <math>\,\theta_{i,\,j}(t)\big]\,</math> on ait <math>\,\dot{\theta}_{i,\,j}(t) = \overline{\Omega}(t)</math> <math>\,\big[</math>donc indépendant de <math>\,\left( i\,,\, j \right)\big]\,</math> pour tout instant <math>\,t\,</math> et pour tout couple <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> dont les éléments ont même abscisse angulaire, ces conditions étant très contraignantes sont quasiment jamais réalisées naturellement <math>\;\ldots</math></ref>, toutefois, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Préliminaire : un « système <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>fermé<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » }}il est, en pratique, indéformable et est alors qualifié de « solide » au sens de la mécanique ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Préliminaire : }}l’exposé ci-dessous s'applique à un système discret <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de points matériels ou un système continu <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}<u>Exposé</u> : Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière" /> indéformable, en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe <math>\,\Delta</math>, fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen », <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}tous les points ont le même vecteur rotation instantanée <math>\,\vec{\Omega}(t) = \overline{\Omega}(t)\;\vec{u}_{\Delta}\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\big[\vec{u}_{\Delta}\,</math> étant le vecteur unitaire orientant l'axe de rotation <math>\,\Delta\,</math> et <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\big[}</math>}}autour de cet axe de rotation <math>\,\Delta\big]\,</math> d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe"> Expression ne nécessitant pas que l'axe <math>\,\Delta\,</math> soit fixe, la fixité de l'axe dans un référentiel intervenant quand ce dernier est galiléen et quand on utilise l'un des théorèmes fondamentaux de la dynamique de rotation des systèmes <math>\,\big\{</math>par exemple le théorème de l'énergie cinétique établi dans ce paragraphe mais le traavail élémentaire déveeloppé par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» ne nécessite pas que <math>\,\Delta\,</math> soit fixe<math>\big\}</math>.</ref>{{,}} <ref name="travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur un système en rotation"> Voir le paragraphe « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> {{Nobr|«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)</math>}} <math>= \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;</math>» et le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\delta W\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right] = \mathcal{P}\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right]\;dt\;</math>» puis, en faisant la somme membre à membre de façon à définir le travail élémentaire du sytème des forces extérieures s'exerçant sur le système en rotation «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)\;dt\;</math>».</ref> où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> est le moment <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» ou, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>du travail élémentaire }}avec «<math>\;\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta\;</math>» dans lequel <math>\,\theta(t)\,</math> est l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, la réécriture <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>,«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>de la variation de l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}}\;</math>» avec, l'énergie cinétique, à l'instant <math>\,t</math>, de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le cadre de la cinétique newtonienne «<math>\;K_{\text{syst. en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en rotation autour d'un axe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d’un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d’un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> avec «<math>\;J_\Delta\,</math> le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}relativement à <math>\,\Delta\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe"> Voir la notion de moment d'inertie d'un système discret ou continu dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Application_à_un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe#Application_au_cas_d'un_«_système_fermé_de_matière_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe_«_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|application d'un système fermé de matière en rotation autour d'un axe Δ fixe quelconque dans un référentiel d'étuide galiléen]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> d'où, en cinétique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> appliqué à un solide <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_solide_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d'un système }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> avec «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» et «<math>\;\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <math>\,\overline{\Omega}(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}<math>= \dot{\theta}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> encore égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>avec <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> et <math>\,\theta(t)\,</math> l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" />, sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail du moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail du }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[\theta(t)\,</math> étant l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation est égale au travail du «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[\theta}\,</math> étant l'abscisse angulaire }}à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> étant le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = 2\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)}\;</math>» <math>\,\big[</math>}}<math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] <math>\,\big(</math>photographié ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_(non_amorti)|mise en équation différentielle du mouvement du pendule de torsion (non amorti)]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Théorème_de_la_puissance_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_autour_d'un_axe_Δ_fixe_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe dans un référentiel d'étude galiléen]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. {{Al|5}}Ci-contre le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec deux fils de torsion identiques de même constante de torsion «<math>\;C\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec }}positions de masselottes identiques <math>\,\big(</math>sauf pour la couleur<math>\big)\,</math> de part et d'autre du point <math>\,C\,</math><ref name="distinction entre point d'attache des fils sur la tige et constante de torsion des fils"> On accepte la même notation pour le point d'attache des deux fils sur la tige et la constante de torsion de ces derniers tant qu'il n'y a pas d'ambiguïté <math>\,\big(</math>ce qui ne devrait jamais arriver compte-tenu du fait que ces deux grandeurs sont de nature différente<math>\big)</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec positions de masselottes identiques }}<math>\,\big(C\,</math> point d’attache des deux fils de torsion sur la tige<math>\big)</math> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre <math>\,\big(</math>en absence de masselottes<math>\big)\,</math> diffère du « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] » de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici l'extrémité supérieure <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil de torsion supérieur est mobile au lieu d'être fixe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur étant dans les deux fixe et <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici la torsion initiale est fournie par rotation propre de <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> d'un angle «<math>\;2\,\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>repéré sur le cercle gradué lié à <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}</math>, position de référence du cercle gradué<math>\big)\,</math> <math>\Rightarrow</math> en pratique, après quelques oscillations, la tige <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}acquiert la position d'équilibre repérée par l'angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>voir vérification ci-dessous<math>\big)\,</math> alors que <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] la torsion initiale est fournie par rotation de la tige d'un angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>également repéré <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>dans le pendule du chap.7 }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}\big)</math>, la position d'équilibre de la tige étant repérée par l'angle nul ; {{Al|5}}<u>vérification de la position d'équilibre de la tige dans le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}orientant les deux fils de torsion du bas vers le haut, quand la tige acquiert la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion supérieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche"> Une hélice est « droite » si le point tourne sur la gauche <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique direct ou encore dans le sens antihoraire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée et <br>{{Al|31}}elle est « gauche » si le point tourne sur la droite <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique indirect ou encore dans le sens horaire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée <br>{{Al|3}}<math>\,\big[</math>revoir aussi la distinction « hélices gauche ou droite » dans le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Mouvement_de_particules_chargées_dans_des_champs_électrique_et_magnétique_:_Cas_particulier_d'un_champ_magnétostatique_uniforme#Nature_hélicoïdale_uniforme_du_mouvement_de_la_particule|nature hélicoïdale uniforme du mouvement de la particule]] » du chap.<math>24</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> d'un angle «<math>\;\theta_1 - 2\;\theta_1 = -\theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil"> L'angle de torsion du fil qui intervient dans le vecteur moment du couple de torsion est l'angle que fait l'extrémité mobile relativement à l'extrémité maintenue fixe même si cette extrémité est fixée avec torsion initiale comme c'est le cas pour le fil supérieur <math>\,\big\{</math>on peut vérifier que cette définition correspond bien au schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » car {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{A_0B_0}\;</math>»}} est lié à l'extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil supérieur et «<math>\;\overrightarrow{AB}\;</math>» à l’extrémité mobile <math>\,C\,</math> et il en est de même pour l'éventuel fil de torsion inférieur<math>\big\}</math>.</ref> par rapport à son extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion supérieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} = -C \left( -\theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion inférieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche" /> d’un angle «<math>\;\theta_1 - 0 = \theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil" /> par rapport à l’extrémité <math>\;O_{\text{inf}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion inférieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = -C \left( \theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = -C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur la tige vérifiant «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} + \vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = \vec{0}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur }}la tige est effectivement en équilibre dans cette position <math>\;\ldots</math> {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <math>\,\big\{</math>ensemble solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC"> L'axe <math>\,\Delta_C\,</math> est le support des fils de torsion.</ref> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemb}}le solide étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles"> Repérée par rapport à la position de l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemble solide étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des masselottes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des masselottes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des masselottes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur"> L'angle de torsion du fil supérieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 2\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation"> Il s'agit de l'application de la puissance instantanée développée par un système de forces extérieures sur un solide en rotation autour d'un axe fixe <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d'un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> quand le système de forces extérieures est équivalent à un couple <math>\,\big[</math>c.-à-d. un système dont la résultante est nulle et dont le moment résultant scalaire relativement à l'axe de rotation définit le moment scalaire du couple<math>\big]</math>.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur"> L'angle de torsion du fil inférieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 0 = \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cin%C3%A9tique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d'un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;</math> est le moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et masselottes » en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_C\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre"> Ce qui suppose que <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> est non identiquement nulle <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\theta(t)\,</math> n'est pas une constante c.-à-d. que le solide n'est pas à sa position d'équilibre.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à droite «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta_1\;</math>», équation différentielle linéaire <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants sans terme du 1^er ordre hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_non_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition non énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] », la présence d'un 2^nd membre constant signifiant que le paramètre caractérisant l'oscillateur dans l'espace n'est pas nul à l'équilibre.</ref> de rotation ; {{Al|5}}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Conséquence_«_le_pendule_de_torsion_(non_amorti)_est_un_oscillateur_harmonique_non_amorti_de_rotation_»|conséquence : le pendule de torsion (non amorti) est un oscillateur harmonique non amorti de rotation]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » ; [[File:Pendule de torsion amorti - vue de dessus.png|thumb|300px|Vue de dessus d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti par substitution d'ailettes planes aux masselottes fixées sur la tige <math>\,\big(</math>les fils de torsion supérieur et inférieur <math>\,\perp\,</math> au plan de la figure ne peuvent y être représentés<math>\big)</math>]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> du }}<math>\big(</math>voir vue de dessus partielle représentée ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre étant écarté initialement comme celui de début de paragraphe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, le pendule ci-contre étant écarté initialement }}la tige acquiert donc une position d'équilibre repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}l'ensemble « tige et ailettes » étant un solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC" /> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant }}le solide est, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant le solide est, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}les actions extérieures sont <math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des ailettes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{ailettte}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des ailettes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des ailettes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{ailette}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu dans lequel se déplace le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] exercent sur les ailettes, modélisées par un <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> }}couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Couple_de_frottement_fluide_linéaire_agissant_sur_le_pendule_par_l’intermédiaire_des_ailettes|couple de frottement fluide linéaire agissant sur le pendule par l'intermédiaire des ailettes]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple }}<math>\big[H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}et du fluide sur lequel frottent les ailettes<math>\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide la puissance instantanée }}selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\,</math> est le moment d'inertie du solide « tige + ailettes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et ailettes » en rotation autour de <math>\,\Delta_C\,</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t) - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t) - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1 - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étudié «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta_1\;</math>», équation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}différentielle linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique" /> de rotation ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Loi_horaire_de_position_angulaire_du_pendule_de_torsion_amorti|loi horaire de position angulaire du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ». == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule pesant non amorti à un degré de liberté - forces extérieures.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté <math>\,\big(</math>schématisé ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_non_amorti_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_du_moment_cinétique_scalaire|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant non amorti (à un degré de liberté) par application du théorème du moment cinétique scalaire]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />. {{Al|5}}Ci-contre schéma de face du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] idéale <ref name="liaison idéale"> C.-à-d. dans laquelle on peut négliger les frottements solides.</ref> du solide en rotation autour de l’axe horizontal <math>\,\Delta_O\;</math><ref name="liaison pivot du pendule"> Pour plus de détails voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Présentation_du_pendule_pesant_(non_amorti)_«_P.P.(N.A.)_»|présentation du pendule pesant (non amorti) P.P.(N.A.)]] (liaison pivot avec le point O) » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Non Amorti.</ref> à un degré de liberté ayant un mouvement de rotation imposé par la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] du solide avec l'axe <math>\,\Delta_O</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté }}son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,O</math>, d'axe <math>\,\Delta_O\,</math> orienté par le vecteur unitaire «<math>\;\vec{u}_{\Delta_O}\;</math>» et <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,\color{transparent}{O}</math>, }}de rayon «<math>\;\mathfrak{a}\;</math>» avec, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. }}<math>G\,</math> repéré par son abscisse angulaire «<math>\;\theta_G(t) = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\overrightarrow{OG}(t) \right\rbrace} = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\vec{u}_r(t) \right\rbrace}\;</math>» <ref name="noté theta"> Noté «<math>\;\theta(t)\;</math>» par la suite en absence d'ambiguïté.</ref> ; {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = \left[ \overrightarrow{OG}(t) \wedge m\;\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_O} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids"> Le moment vectoriel du poids par rapport à <math>\,O\,</math> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)\;</math>» a établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_liaison_sphérique_et_avec_les_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b),_établissement_de_la_nature_plane_du_mouvement_du_C.D.I._G_du_P.P.(N.A.)|dans le cas d'une liaison sphérique et avec les C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), établissement de la nature plane du mouvement du C.D.I. G du P.P.(N.A.)]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] », soit «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\varphi_G}(t)\;</math>» avec <math>\,\vec{u}_{\varphi_G}\,</math> s'identifiant à <math>\,\vec{u}_{\Delta_O}</math>. <br>{{Al|3}}On pouvait aussi déterminer directement le moment scalaire du poids, le schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_«_liaison_pivot_»_ou_d’une_«_liaison_sphérique_avec_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b)_»,_nouveau_repérage_adapté_à_la_nature_rotatoire_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_à_un_degré_de_liberté|dans le cas d'une liaison pivot ou d'une liaison sphérique avec C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), nouveau repérage adapté à la nature rotatoire du mouvement du P.P.(N.A.) à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » étant fait avec le paramètre de position angulaire <math>\,\theta > 0</math>, on observe que le poids tend à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,-\,</math> avec un bras de levier <math>\,\big(</math>distance orthogonale séparant l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du support de <math>\,m\;\vec{g}\big)\,</math> égal à <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où, dans le cas où <math>\,\theta\,</math> est <math>\,> 0</math>, {{Nobr|«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)</math>}} <math>= - \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>» <math>\,\Big\{</math>le résultat est indépendant du signe de <math>\,\theta\,</math> mais si le schéma était fait avec <math>\,\theta < 0</math>, on observerait que le poids tendrait à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,+\,</math> avec un bras de levier <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = + \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = m\;g\;\left[ -\mathfrak{a}\; \sin(\theta) \right] = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>», soit effectivement le même résultat <math>\,\big[</math>avec toutefois une possibilité d'erreur si on oubliait que <math>\,\theta < 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert = -\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\big]\Big\}</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_particulier_où_M_est_en_mouvement_circulaire_d'axe_Δ_et_de_vitesse_angulaire_instantanée_Ω(t)|cas particulier où M est en mouvement circulaire d'axe Δ et de vitesse angulaire instantanée Ω(t)]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> de la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I."> Conditions Initiales.</ref> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O"> On a établi dans la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#cite_note-réduction_à_deux_composantes_de_la_réaction_dans_ces_C.I.-18|¹⁸]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » que la réaction du point <math>\,O\,</math> dans l'hypothèse d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] sur le pendule lancé dans les C.I. <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\,</math> ou <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\,</math> s'écrirait <math>\,\vec{R}(t) =</math> <math>R_{\rho_G}(t)\;\vec{u}_{\rho_G}(t) + R_z(t)\;\vec{u}_z</math>, c.-à-d. que la réaction serait dans le plan vertical de lancement soit encore «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» ; <br>{{Al|3}}on établit de même <math>\,\big[</math>sans que cela ait été exposé dans le chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> que la réaction de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le pendule quels que soient les C.I. de lancement compatibles avec la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] s'écrit «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>».</ref> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul"> En effet la force étant <math>\,\perp\,</math> à l'axe par rapport auquel son moment scalaire est évalué est de bras de levier nul.</ref> auquel s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe"> Le couple étant de moment vectoriel <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta_O</math>.</ref> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée à la date <math>\,t\,</math> par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée développée à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|7}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}sans terme du 1^er ordre ; {{Al|5}}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique"> On appelle « [[w:Solution_de_forme_fermée|solution analytique]] » d'une équation différentielle, une expression mathématique <math>\,\big(</math>souvent dite « formule explicite »<math>\big)\,</math> pouvant s'obtenir par une combinaison d'opérations et de [[w:Fonction_de_référence|fonctions de référence]] <math>\,\big(</math>c.-à-d. fonctions affines, puissances, trigonométriques et exponentielles ainsi que leurs fonctions inverses sur un domaine de définition restreint pour lequel il y a bijection et même certaines solutions d'équations différentielles dites de référence<math>\big)</math>, les opérations étant l'addition, la soustraction, la multiplication, la division et l'extraction de racines.</ref> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’élongations_angulaires_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'élongations angulaires non petites]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il est nécessaire de procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="solution analytique dans le cas d'élongations petites"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Cas_particulier_des_«_petites_élongations_angulaires_»,_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_=_oscillateur_harmonique_(non_amorti)_approché_de_rotation,_période_des_«_petites_oscillations_»|cas particulier des petites élongations angulaires, pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) oscillateur harmonique (non amorti) approché de rotation, période des petites oscillations]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. [[File:Pendule pesant amorti à un degré de liberté - forces extérieures - bis.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures, <math>\,I\,</math> étant le point où la résultante des forces de frottement fluide peut être appliquée]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti <math>\,\big(</math>voir coupe partielle représentée ci-contre<math>\big)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire" /> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I." /> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O" /> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul" /> où s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe" /> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu où se déplace le [[w:Pendule_pesant|pendule]] exercent sur ce dernier, modélisées par <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}un couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_O}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti" />{{,}} <ref name="définition de H"> <math>\,H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]], de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frotte le solide.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Amorti.</ref> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0 - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right] - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_O}}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}avec terme linéaire du 1^er ordre ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique" /> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’amplitudes_initiales_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'amplitudes initiales non petites]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il faut procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique - bis"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » nécessitant néanmoins d'ajouter le terme d'amortissement <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A." />. == « En complément », caractère conservatif du couple de torsion, énergie potentielle de torsion et conservation de l’énergie mécanique du pendule de torsion (non amorti) dans le champ de torsion du fil == {{Al|5}}Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » ne sont pas explicités dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » }}il me semble souhaitable de le retenir <math>\,\big(</math>et bien sûr d’être capable de le retrouver<math>\big)</math>. === Caractère conservatif du couple de torsion === {{Al|5}}Le travail élémentaire d’un couple de torsion s’exerçant sur un solide, de vecteur moment «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t) = -C\;\alpha(t)\;\vec{u}_\Delta\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Expression_du_vecteur_moment_du_couple_de_torsion_exercé_par_le_fil_en_fonction_de_l'angle_de_torsion_«_α(t)_»,_notion_de_constante_de_torsion_«_C_»_du_fil_de_torsion|expression du vecteur moment du couple de torsion exercé par le fil de torsion α(t), notion de constante de torsion C du fil de torsion]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> lors d’une torsion élémentaire «<math>\;d \alpha\;</math>» <ref name="définition de Delta et alpha sur le fil de torsion"> <math>\,\Delta\,</math> étant la direction du fil de torsion orienté par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et «<math>\;\alpha\;</math>» l'angle de torsion algébrisé, défini au niveau de la liaison au solide dans le plan <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta\,</math> et orienté par <math>\,\vec{u}_\Delta</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion }}étant défini selon «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>», <math>\,\big[\overline{\Omega}(t)\,</math> étant la vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt}\;</math>», <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \alpha\;</math>»<math>\big]\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> soit finalement <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon }}«<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -C\;\alpha\; d \alpha\;</math>» correspondant à une différentielle de fonction <math>\Rightarrow</math> le <u>caractère conservatif du couple de torsion</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple"> Pour montrer qu’une force est conservative, on évalue son travail élémentaire en prenant un vecteur déplacement élémentaire quelconque <math>\,\overrightarrow{dM}\,</math> à partir du point d'application <math>\,M\,</math> de la force <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#2ème_définition_(équivalente)_d'une_force_«_conservative_»|2^ème définition (équivalente) d'une force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> ; <br>{{Al|3}}lorsqu'il s’agit d'un couple de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, il faut évaluer son travail élémentaire en envisageant une rotation élémentaire quelconque autour de n'importe quelle direction, le couple est alors conservatif si ce travail élémentaire est une différentielle de fonction mais <br>{{Al|3}}{{Transparent|lorsqu'il s'agit d'un couple }}dans le cas d’un couple de torsion de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, la seule direction autour de laquelle peut s’effectuer une rotation élémentaire est celle du fil c.-à-d. celle de <math>\,\vec{\Gamma}\,</math> et par suite la seule condition pour que le couple de torsion soit conservatif est que son travail élémentaire en considérant une rotation élémentaire autour de la direction du fil de torsion soit une différentielle de fonction ou encore que « le moment scalaire du couple de torsion par rapport au fil ne dépende que de l'angle de torsion <math>\,\alpha\;</math>» C.Q.E.R. <math>\,\big(</math>Ce Qui Est Réalisé<math>\big)</math>.</ref>. === Énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion === {{Al|5}}L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,U_{\text{tors}}\,</math> dont « dérive » le couple de torsion de vecteur moment <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}est définie par «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#1ère_définition_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|1^ère définition de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> c.-à-d. «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(\alpha)\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\,</math> ou <math>\,-C\;\alpha\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <math>\Leftrightarrow</math> «<math>\;\dfrac{dU_{\text{tors}}}{d \alpha} = C\;\alpha\;</math>» soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}en intégrant «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2 + cste\;</math>» ; choisissant la référence de l’énergie potentielle de torsion <math>\;U_{\text{tors}}(\alpha)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle"> C.-à-d. l'endroit où l'énergie potentielle est choisie nulle.</ref> <br>{{Al|7}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> en intégrant «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\alpha) = 2\; C\;\alpha^2 + cste}\;</math>» ; choisissant la référence }}quand le fil n’est pas tordu c.-à-d. <math>\,U_{\text{tors}}(0) = 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = 0</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}l'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d’un fil et sa conservation en absence de frottement === [[File:Pendule de torsion sans masselottes - actions exercées.png|thumb|500px|Schéma d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] représenté sans masselottes additives et avec fil inférieur sans torsion avec ajout des actions exercées sur la tige à l'instant <math>\;t</math>]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec un seul fil de torsion, l'autre fil étant sans torsion <math>\,\big(</math>voir schéma ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec un seul fil de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}la seule action extérieure de moment scalaire non nul par rapport à la direction <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}commune du fil de torsion et du fil sans torsion <math>\;\big(</math>orientée par le vecteur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> étant le couple « conservatif » de torsion <ref name="conservativité du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Caractère_conservatif_du_couple_de_torsion|caractère conservatif du couple de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}moment vectoriel «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}} = -C\;\alpha\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion /> auquel on associe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie potentielle de torsion du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre valant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;U_{\text{tors}}(t) =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion énergie potentielle de torsion }}<math>\,\dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_torsion_du_solide_relié_au_fil_de_torsion|énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}son énergie cinétique à la date <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{pend. tors.}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique }}<math>J_{CO_{\text{sup}}}\,</math> est le moment d'inertie du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] relativement à la <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique <math>\color{transparent}{J_{CO_{\text{sup}}}}\,</math> est }}direction du fil de torsion et du fil sans torsion <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à l'instant <math>\,t\,</math> selon «<math>\;E_m(t) = K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Propriétés_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|propriétés de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] (2^ème propriété) » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha_0 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\alpha(0) = \alpha_0\;</math> et <math>\,\dot{\alpha}(0) = 0\;</math>». [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]]]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige <math>\,\big(</math>voir photographie ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec deux fils de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}il y a deux actions extérieures s'exerçant sur le solide « tige + masselottes » de moment scalaire non nul par rapport à <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}la direction commune <math>\,\Delta_C\,</math> des deux fils de torsion <math>\,\big(</math>orientée par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}élémentaire du solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}prouve le <u>caractère conservatif du couple de torsion du fil supérieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}supérieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = -d U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta = -d U_{\text{tors. sup.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. sup.}}}{d \theta} = C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\,</math> qui s'intègre en <math>\,U_{\text{tors. sup.}}</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,= \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> et, en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. sup.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du solide à l'équilibre » c.-à-d. <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre"> Revoir l'explication rappelée dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans le chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil supérieur du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta_1 - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_1 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion"> Symboliquement l'énergie potentielle d'un solide dans le champ de torsion d'un fil de torsion s'obtient, à une constante additive près, par la moitié du produit de la constante de torsion du fil et du carré de l'angle de torsion, à l'instant <math>\;t</math>, du fil au point d'attache du solide.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation élémentaire du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\; \theta(t)\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et prouve le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<u>caractère conservatif du couple de torsion du fil inférieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}inférieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = -d U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\;\theta\;d \theta = -d U_{\text{tors. inf.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. inf.}}}{d \theta} = C\; \theta\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{tors. inf.}} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} + cste_2\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. inf.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position du solide à l'équilibre » c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil inférieur du solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2} + cste_2 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_2 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}finalement l'énergie potentielle globale de torsion du solide « tige + masselottes » <math>\,\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale }}s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = U_{\text{tors. sup.}}(\theta) + U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» ou, en simplifiant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale s'écrit }}«<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2\;</math>» <ref> En effet <math>\,\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + 2\;C\; \theta_1^{\,2} + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + C\; \theta_1^{\,2} = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2</math>.</ref>{{,}} <ref> Cette énergie potentielle de torsion du solide « tige + masselottes » est la même que celle que l'on obtiendrait avec un seul fil de torsion de constante de torsion <math>\,2\,C</math>, l'autre fil étant sans torsion avec la référence en la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>.</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule ci-dessus étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «<math>\;\color{transparent}{K_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#%Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torion par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique de l'ensemble tige + masselottes) » plus haut dans ce chapitre.</ref> avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule }}<math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion des deux fils définie, à l'instant <math>\,t\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie mécanique }}«<math>\;E_m(t) = K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}\! \left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\alpha\;</math>» dans le 1^er exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] ou <br>{{Al|57}}celui «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta - \theta_1 \right]^2 \,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du 2^ème exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|même]] paragraphe <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}étant parabolique, nous retrouvons la <u>2^ème définition d’un oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math>de rotation<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_(équivalente)_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition (équivalente) énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. <br>{{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> de son mouvement dans le 2^ème exemple du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}«<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2 = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>», <br>{{Al|58}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}les C.I. <ref name="C.I." /> étant «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}est donc une <u>ellipse décrite dans le sens horaire</u> <ref name="portrait de phase d'un socillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Tracé_du_portrait_de_phase_de_la_charge_du_condensateur_d'un_«_R_L_C_série_»_soumis_à_un_échelon_de_tension_suivant_le_cœfficient_d'amortissement|propriétés des portraits de phase de la charge du condensateur d'un RLC série soumis à un échelon de tension suivant le cœfficient d'amortissement]] (cas d'un circuit oscillant non amorti en vert) » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. == Conservation de l’énergie mécanique du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) dans le champ de pesanteur uniforme == === Énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant === {{Al|5}}Dans le cas d'un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref><math>\big)</math>, le poids du solide étant la seule action extérieure travaillant et ce dernier étant conservatif <ref name="poids d'un objet conservatif"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Établissement_du_caractère_«_conservatif_»_du_poids_d'un_point_matériel_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|établissement du caractère conservatif du poids d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, }}on lui associe l'énergie potentielle de pesanteur «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta)\;</math>» <ref name="énergie potentielle de pesanteur"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#«_Énergie_potentielle_de_pesanteur_d'un_point_matériel_»_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|énergie potentielle de pesanteur d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> déterminée en intégrant «<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = -dU_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> avec <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)\,</math> travail élémentaire du poids lors d'une rotation élémentaire d'angle <math>\,d \theta = \dot{\theta}(t)\;dt\,</math> autour de <math>\,\Delta_O\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe «<math>\;\color{transparent}{\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)}\,</math>}}<math>= \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;dt = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)\;dt = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;d \theta\;</math>» <ref name="travail élémentaire du poids du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (actions extérieures exercées sur le solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> d'où <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}<math>\,-dU_{\text{pes}} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\;d \theta\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{pes}}}{d \theta}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\,</math> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right) + cste\;</math>» <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}soit, en choisissant comme référence de l'énergie potentielle <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> « la position <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}d'équilibre stable de ce dernier <ref name="équilibre stable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessous de ce dernier.</ref> <math>\,\theta_{\text{éq. stable}} = 0\;</math>» d'où <math>\,U_{\text{pes}}(0) = 0\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}<math>\Rightarrow</math> <math>\,0 = -m\;g\;\mathfrak{a} + cste\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = m\;g\;\mathfrak{a}\,</math> d'où l'expression de <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}l'énergie potentielle de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> se réécrit selon <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta \right) \right]\;</math>» <ref> Pour trouver l'expression de l'énergie potentielle de pesanteur on peut aussi utiliser <math>\,\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = m\;g\;dz_G = -dU_{\text{pes}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{pes}} = -m\;g\;z_G + cste\,</math> sachant que <math>\,z_G = \mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right)\,</math> avec pour position d'équilibre stable <math>\,z_{G,\,\text{éq. stable}} = \mathfrak{a}</math> <math>\;\ldots</math></ref> <math>\,\big(</math>référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : la position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement === {{Al|5}}Considérant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A." /><math>\big)</math>, l'énergie potentielle de pesanteur étant «<math>\;U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right] = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\,</math> avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> <math>\,\theta_{\text{équi. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P."/> » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> et <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie cinétique du solide constituant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique du solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> dans laquelle <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie cinétique}}«<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du solide par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie mécanique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> dans le champ de pesanteur «<math>\;E_m\!(t) = K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) + U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right]</math> <br>{{Al|23}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie mécanique du P.P.N.A. dans le champ de pesanteur «<math>\;\color{transparent}{E_m\!(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{P.P.N.A.}}(t) + U_{\text{pes}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P..P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\,\left[ 1 - \cos(\theta) \right]\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}n'étant pas parabolique <math>\,\big(</math>mais sinusoïdal<math>\big)</math>, nous pouvons affirmer que <u>le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> n'est pas un oscillateur harmonique</u> <math>\,\big(</math>quand il est en situation d'osciller<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <math>\blacktriangleright\;</math>« oscillatoire pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'énergie mécanique initiale du P.P.N.A. vaut «<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^2 + m\;g\; \mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta_0 \right) \right]\;</math>».</ref> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. est }}<math>\blacktriangleright\;</math>« révolutive pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="étude du mouvement d'un P.P.N.A. par diagramme d'énergies"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Étude_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_dans_le_cas_général_des_élongations_angulaires_non_petites_par_diagramme_énergétique|étude du mouvement du P.P.(N.A.) dans le cas général des élongations angulaires non petites par diagramme énergétique]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}de démontrer, avec utilisation simultanée de l'intégrale 1^ère énergétique <ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'intégrale 1^ère énergétique du P.P.N.A. s'écrit «<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^{\,2} + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet de démontrer, }}la nature « périodique <math>\,\big(</math>oscillatoire ou révolutive<math>\big)\;</math>» ainsi que <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}d’établir l’expression de la période sous forme intégrale <math>\ldots</math> {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Les [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d’un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ayant pour équation implicite l’intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\;</math><ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" /> de son mouvement lequel dépend de la valeur de l'énergie mécanique initiale <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />, <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. }}diffèrent suivant <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="différents portraits de phase d'un P.P.N.A."> Voir les paragraphes « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Tracé_des_portraits_de_phase_dans_le_cas_général_«_d'oscillations_ou_de_mouvement_révolutif_»_d'un_P.P.S._lancé_dans_les_C.I._«_1b_U_1a_»|tracé des portraits de phase dans le cas général d'oscillations ou de mouvement révolutif d'un P.P.S. lancé dans les C.I. 1b U 1a]] » du chap.<math>12</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\,\big(</math>l'allure des [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti étant la même que ceux d'un [[w:Pendule_simple|pendule simple]] non amorti<math>\big)\,</math> et « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Différents_portraits_de_phase_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté),_«_bifurcation_»_entre_mouvement_«_pendulaire_»_et_révolutif|différents portraits de phase du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté), bifurcation entre mouvement pendulaire et révolutif]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>pendulaire</u> <ref name="pendulaire"> Adjectif synonyme d'« oscillatoire ».</ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>fermé</u>, décrit dans le « <u>sens horaire</u> » <ref name="justification du sens horaire"> Ou « trigonométrique indirect », en effet « quand <math>\,\dot{\theta}\,</math> est <math>\,> 0</math>, <math>\,\theta \nearrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \nearrow\,</math> puis <math>\,\searrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule » ensuite «<math>\;\dot{\theta}\,</math> est <math>\,< 0</math>, correspondant à <math>\,\theta \searrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \searrow\,</math> puis <math>\,\nearrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule de nouveau » <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}avec le point «<math>\;\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)\;</math>» comme « <u>centre de </u>{{Nobr|<u>symétrie</u> » <ref name="justification du centre de symétrie"> Invariance de l’équation en changeant «<math>\;\theta\,</math> en <math>\,-\theta\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des vitesses angulaires <math>\,\big(</math>en fait antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>» et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Invariance de l’équation }}en changeant «<math>\;\dot{\theta}\,</math> en <math>\,-\dot{\theta}\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des abscisses angulaires <math>\,\big(</math>là encore c'est une antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|3}}l’association des deux symétries axiales <math>\,\big(</math>ou plutôt des deux antisymétries axiales<math>\big)\,</math> donnant un centre de symétrie pour l'intersection des deux axes <math>\,\big[</math>le point d'intersection des deux axes étant réellement une symétrie centrale <math>\,\big(</math>et non une antisymétrie centrale<math>\big)</math>.</ref>}} <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, avec le point «<math>\;\color{transparent}{\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)}\;</math>» }}correspondant à la position d’équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /> du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ; <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> }}<math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>révolutif</u>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>ouvert</u>, constitué de la <u>répétition du motif de l'intervalle</u><math>\;\left] -\pi\, , \, \pi \right]</math>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase }}répété <math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \nearrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} > 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 > 0\;</math>» ou <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase répété }}<math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \searrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} < 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 < 0\;</math>», <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)\;</math>» et celui avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,-\dot{\theta}_0 > 0 \right)\;</math>» <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, le portrait de phase avec C.I. «<math>\;\color{transparent}{\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)}\;</math>» }}étant <u>antisymétriques</u> l'un de l'autre, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>maxima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre stable</u> <ref name="équilibre stable du P.P." /> «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres stables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» ;<br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}\;</math>»<math>\big)\;</math> alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big)</math>.</ref> et <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>minima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre instable</u> <ref name="équilibre instable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessus de ce dernier.</ref> «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;</math> <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, les minima de<math>\;\color{transparent}{\vert \dot{\theta} \vert}\;</math>obtenus pour les positions d’équilibre instable «<math>\;\color{transparent}{\theta_{\text{éq. inst.}} =}</math> }}<math>\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres instables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = -\left( 2\;p' + 1 \right)\, \pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big[</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big]\;</math>.</ref>. == « Généralisation » à tout « solide » : « théorème de la variation de l’énergie mécanique » et la forme locale associée « le théorème de la puissance mécanique », application au cas d’un solide amorti == {{Al|5}}Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à la généralisation à tout système de points matériels ou continu de matière « indéformable » <ref name="solide au sens de la mécanique" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à }}la généralisation aux systèmes de points matériels ou continus de matière « déformables » sera faite dans le chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Lois_de_l'énergie_cinétique_pour_un_système_déformable_de_points_matériels#«_En_complément_»,_théorème_de_la_variation_de_l’énergie_mécanique_appliqué_à_un_système_de_matière_déformable_dans_le_champ_des_forces_extérieures_et_intérieures_conservatives_et_sa_forme_locale_«_le_théorème_de_la_puissance_mécanique_»|en complément : théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un système de matière déformable dans le champ des forces extérieures et intérieures conservatives et sa forme locale le théorème de la puissance mécanique]] » du chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. === Théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s’écrivant «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\bullet\;</math>celles qui sont conservatives <math>\,\big(</math>lesquelles « dérivent » d’une énergie potentielle<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{ransparent}{\bullet}\;</math>}}dont le travail pendant cette durée finie est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées }}<math>\bullet\;</math>celles qui sont non conservatives <ref name="non conservatives"> Ou, si elles sont conservatives, dont on ne considère pas le caractère « conservatif ».</ref> dont le travail pendant cette durée finie <br>{{Al|12}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>celles qui sont non conservatives dont }}est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}d'où «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou, avec «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, }}<math>\big(U_{\text{ext}}\,</math> étant l'énergie potentielle dont dérivent les forces conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, <math>\color{ransparent}{\big(}</math>}}définie à une constante additive près précisée par choix de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}<math>\Rightarrow</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» d’où la réécriture du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « solide <math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\left( \mathcal{S} \right)} + U_{\text{ext}} \right] = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» où on reconnaît dans le 1^er membre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}la variation de l’énergie mécanique «<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t) + U_{\text{ext}}\!(t)\;</math>» du solide «<math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le champ des forces conservatives sur la durée <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> dans le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où dans le champ des forces conservatives }}référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen d'où, finalement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}le lien entre la variation de l'énergie mécanique du « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;\Delta E_m = E_{m,\,\mathcal{F}} - E_{m,\,\mathcal{I}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» le lien }}le travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> sur cette même durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}«<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» applicable à un solide dans un référentiel d’étude galiléen, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}l'énoncé du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie dans un référentiel galiléen <ref> Ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. sous la forme où il existe des forces extérieures non conservatives dissipatives mais, comme le cas où toutes les forces extérieures travaillant sont conservatives est clairement explicité <math>\,\big(</math>sous la forme de la conservation de l’énergie mécanique du solide<math>\big)</math>, le cas où il existe des forces extérieures travaillant et non conservatives <math>\,\big(</math>comme des forces de frottement<math>\big)\,</math> s’appliquant à un solide peut difficilement être ignoré d'où l'ajout du théorème sous sa forme la plus générale <math>\;\ldots</math></ref>. : {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}<math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <math>\,K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation «<math>\;\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» }}égale au travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale au travail }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire dans un référentiel galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique }}se déduit aisément de sa forme sur une durée finie soit {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}conservatives <math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}<math>K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> <math>\color{transarent}{K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)}\,</math> l'énergie cinétique }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation élementaire«<math>\;d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t)\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» }}égale au travail élémentaire des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» égale au travail }}appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;d E_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide }}est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée finie ou élémentaire se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>». === Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de la puissance mécanique est la forme locale associée à la forme intégrée <ref name="forme intégrée de forme locale" /> “ théorème de la variation de l'énergie mécanique sur une durée finie ou élémentaire ” ; {{Al|5}}pour obtenir cette forme locale on écrit le théorème de la variation de l’énergie mécanique d’un solide dans le champ des forces extérieures conservatives entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math><ref> C.-à-d. la forme élémentaire du théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un solide.</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on écrit }}«<math>\;dE_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\,</math> dans un référentiel galiléen » puis, <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on divise les deux membres par <math>\,dt\,</math> soit «<math>\;\dfrac{dE_m}{dt} = \dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{dE_m}{dt}\;</math>» est la dérivée temporelle de l’énergie mécanique du solide dans le champ des forces extérieures conservatives définissant <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}la puissance mécanique du solide à l'instant <math>\,t\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives, notée «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» la puissance instantanée développée, à l'instant <math>\,t</math>, par les forces extérieures non conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}appliquées au solide notée «<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on obtient «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» d'où l'énoncé du théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen : {{Théorème|titre=Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide »|contenu = {{Al|5}}La puissance mécanique à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> <math>\big[</math>avec, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie mécanique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{ext}}(t)}\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces }}conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math>» l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique }}est égale à la puissance instantanée développée par les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique est égale à }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> au même instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide à un instant <math>\,t\,</math> quelconque se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}c.-à-d., après intégration, « la conservation de l’énergie mécanique du solide précédemment défini ». === Application au cas d’un solide amorti === {{Al|5}}Parmi les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées à un solide et travaillant, « les plus fréquentes sont dissipatives » <ref> Mais elles peuvent aussi être motrices par exemple, si nous souhaitons que les oscillations d’un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ou d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] perdurent alors qu’existent naturellement des frottements {{Nobr|<math>\,\big(</math>même}} minimes<math>\big)</math>, il est nécessaire de les entretenir à l’aide d’une force extérieure motrice compensant les forces de frottement, cette force motrice étant alors usuellement non conservative tout comme le sont les forces de frottement.</ref> comme les forces de frottement fluide <math>\,\big(</math>ou solide<math>\big)</math> ; {{Al|5}}si les seules forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> travaillant sont des forces de frottement s'exerçant sur un solide en mouvement dans un référentiel galiléen, <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces }}conservatives <ref name="théorème de la puissance mécanique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_la_puissance_mécanique_appliqué_à_un_«_solide_»|théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}s’écrivant «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{frott}}\!(t) < 0\;</math>» dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}l'énergie mécanique de ce solide «<math>\;E_m(t) \searrow\,</math> au sens strict » avec <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}</math> <math>\big(</math>il est qualifié d'« amorti »<math>\big)</math>. ==== Cas particulier du pendule de torsion amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] dont la photographie est dans un « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|paragraphe plus haut dans ce chapitre]] » mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}avec les masselottes remplacées par des ailettes comme présenté dans le schéma de vue de dessus de la « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|remarque du paragraphe précité]] », <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d'un fil et sa conservation en absence de frotemment]] (2^ème exemple) » plus haut dans ce chapitre dans lequel <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> doit être remplacée par <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})</math>.</ref> dans le référentiel <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « }}<math>\big\{</math>avec <math>\,U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> la position d'équilibre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « <math>\color{transparent}{\big\{}</math>avec <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2}\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence }}du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}on en déduit la puissance mécanique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;\dot{E}_m(t) = J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + 2\;C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]\,\dot{\theta}(t)\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}la puissance des forces de frottement fluide linéaire <math>\,\big(</math>seule force extérieure non conservative travaillant de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion" /><math>\big)\,</math> agissant sur les ailettes du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étant «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» {{Al|5}}le « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Couple_de_frottement_fluide_linéaire_agissant_sur_le_pendule_par_l’intermédiaire_des_ailettes|couple de frottement fluide linéaire agissant sur le pendule par l'intermédiaire des ailettes]] » dont le moment scalaire relativement à l'axe <math>\;\Delta_C\;</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C} = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» établi au chap.<math>7</math> de la leçon « Mécanique 2 (PCSI) » <math>\;\big[H\;</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frottent les ailettes<math>\big]\;</math> montre qu'il est non conservatif <ref name="raison du caractère non conservatif"> En effet pour que ce couple soit conservatif il faudrait que son moment scalaire ne dépende que de <math>\;\theta\;</math> ou soit constant mais en aucun cas dépendant de <math>\;\dot{\theta}</math>.</ref>, la puissance du couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\;t</math>, selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant «<math>\;E_m(t) = K(t) + U_{\text{tors}}\!\left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2\!(t) + \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2}\!(t) - C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d'un fil et sa conservation en absence de frottement]] » plus haut dans ce chapitre en remplaçant « solide + masselottes » par « solide + ailettes ».</ref> à l'instant <math>\;t\;</math> dans le référentiel d'étude <math>\;\mathcal{R}</math>, <math>\;\big[J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;</math> étant le moment d'inertie du solide « tige + ailettes » relativement à l'axe commun <math>\;\Delta_C\;</math> des deux fils <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /><math>\big]\;</math> on en déduit aisément, dans <math>\;\mathcal{R}\;</math> et à l'instant <math>\;t</math>, la puissance mécanique du solide « tige + ailettes » dans le champ de torsion des fils en formant <math>\;\dot{E}_m(t) = \dfrac{d E_m}{dt}(t)\;</math> puis {{Al|5}}l’application du théorème de la puissance mécanique au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> nous conduit à «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» ou «<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» soit encore, {{Al|5}}en explicitant la dérivée temporelle de l’énergie mécanique puis en divisant par «<math>\;\dot{\theta}\!(t)\;</math>», l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon «Mécanique 2 (PCSI)» à savoir <center>«<math>\;J_{\Delta_C}\!\left( \text{tige} + \text{ailettes} \right)\;\ddot{\theta}(t) + H\;\dot{\theta}(t) + 2\;C\;\theta(t) = 2\;C\;\theta_1\;</math>».</center> ==== Cas particulier du pendule pesant à un degré de liberté amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] à un degré de liberté du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre avec des frottements fluides linéaires comme présenté dans la vue de profil de la remarque du paragraphe précité, {{Al|5}}à la force extérieure «<math>\;m\;\vec{g}\;</math>», conservative, s'exerçant sur le P.P.A. <ref name="P.P.A." /> et « dérivant » de l'énergie potentielle de pesanteur de ce dernier, à savoir «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) =</math> <math>m\;g\;\mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos(\theta) \right]\;</math>» <math>\;\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre stable du solide <math>\;\theta_{\text{éq. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P." /><math>\big)\;</math><ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, il convient d'ajouter {{Al|5}}les forces de frottement fluide linéaire dont le moment scalaire relativement à l'axe <math>\;\Delta_O\;</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t) = -H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» a été établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « Mécanique 2 (PCSI) » <math>\;\big[H\;</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du pendule, de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel il frotte<math>\big]\;</math> montre que ces forces de frottement est un système non conservatif <ref name="raison du caractère non conservatif" />, la puissance de ces forces de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\;t</math>, selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right] =</math> <math>\mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t)\;\dot{\theta}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}l'énergie mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> étant «<math>\;E_m(t) = K(t) + U_{\text{pes}}\!\left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> à l'instant <math>\;t\;</math> dans le référentiel d'étude <math>\;\mathcal{R}</math>, <math>\;\big[J_{\Delta_O}\;</math> étant le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> relativement à son axe <math>\;\Delta_O\;</math> de rotation <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /><math>\big]\;</math> on en déduit aisément, dans <math>\;\mathcal{R}\;</math> et à l'instant <math>\;t</math>, la puissance mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en formant <math>\;\dot{E}_m(t) = \dfrac{d E_m}{dt}(t)\;</math> puis {{Al|5}}l’application du théorème de la puissance mécanique au P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> nous conduit à «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right]\;</math>» ou «<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» soit encore, {{Al|5}}en explicitant la dérivée temporelle de l’énergie mécanique puis en divisant par «<math>\;\dot{\theta}\!(t)\;</math>», l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon «Mécanique 2 (PCSI)» à savoir <center>«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) + H\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>».</center> == Notes et références == <references /> {{Bas de page | idfaculté = physique | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie|Approche énergét. du mouv. d'un sol. en rotat. autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels|Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels]] }} hmzic2w3fs4d69fdmk9qotx6ufe3vaj 987943 987942 2026-10-31T17:19:53Z Phl7605 31541 /* Cas particulier du pendule de torsion amorti par frottement fluide linéaire */ 987943 wikitext text/x-wiki {{Chapitre | idfaculté = physique | numéro = 12 | niveau = 14 | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie/]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels/]] }} <center>Ce chapitre est traité dans le cadre de la dynamique newtonienne avec ajout de quelques éléments de dynamique relativiste.</center> == Théorème de l'énergie cinétique d’un système de matière, cas d’un solide en rotation autour d’un axe fixe == {{Al|5}}Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}est évidemment à connaître comme forme intégrée de la forme locale <ref name="forme intégrée de forme locale"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Lois_de_la_puissance_et_de_l'énergie_cinétiques#Différence_entre_«_forme_locale_de_la_dynamique_»_et_«_forme_intégrée_associée_à_cette_forme_locale_»|différence entre forme locale de la dynamique et forme intégrée associée à cette forme locale]] » du chap.<math>15</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> « théorème de la puissance <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}cinétique d'un système de matière » laquelle est inscrite explicitement dans le programme <math>\;\ldots</math> === Définition du travail du système des forces extérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque"> Par « système de matière quelconque » il faut entendre « système fermé discret de points matériels ou continu de matière » « déformable ou non ».</ref> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1"> A priori <math>\,N\,</math> pourrait être égal à <math>\,1\,</math> mais ce ne serait plus un système de points matériels mais un simple point matériel.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes"> C.-à-d. l’ensemble des paramètres de position et de vitesse de tous les points à l'instant de définition de l'état, tous ces paramètres permettant d’y décrire le système.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> entre }}l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Expression_du_travail_élémentaire_de_la_force_dont_le_point_d’application_subit_le_vecteur_déplacement_élémentaire_correspondant_à_la_durée_élémentaire_de_développement_de_sa_puissance|expression du travail élémentaire de la force dont le point d'application subit le vecteur déplacement élémentaire correspondant à la durée élémentaire de développement de sa puissance]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - bis"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="infiniment proches"> Instants infiniment proches.</ref>, son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité volumique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance volumique <math>\,\mathcal{P}_{\text{vol},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t)</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité surfacique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance surfacique <math>\,\mathcal{P}_{\text{surf},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) =</math>}} <math>\sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité linéique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance linéique <math>\,\mathcal{P}_{\text{lin},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right] dt\;</math>».</ref>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« chaque point <math>\,\color{transparent}{M_i}\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> entre «<math>\;\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\;</math>» }}son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\,</math> étant aussi tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces extérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces extérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" />. === Définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est également présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2"> Pour l'existence de forces intérieures appliquées à un système, <math>\,N\,</math> doit être évidemment <math>\,\geqslant\,</math> à <math>\,2</math>.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes" /> et l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" /> sachant que <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir }}le système des forces intérieures s'exerçant sur le système discret fermé de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le système des forces intérieures }}est défini comme « l'ensemble des forces <math>\,\vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t)\,</math> que chaque point <math>\,M_j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, exerce sur chaque point <math>\,M_i,\;\;i \neq j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math>» <ref name="système de forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Forces,_principe_des_actions_réciproques#Système_des_forces_intérieures_s’exerçant_sur_un_système_de_points_matériels_fermé|système des forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math> entre les instants <math>\;t\;</math> et <math>\;t + dt\;</math> selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i} \right]\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - ter"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> dans lequel, chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \mu(M')\;d \mathcal{V}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bivolumique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}}{d \mathcal{V}_{M'}\;d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \sigma(M')\;d S_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\;</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bisurfacique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}}{d S_{M'}\;d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \lambda(M')\;d \mathit{l}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\;\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bilinéique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}}{d \mathit{l}_{M'}\;d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace dt\;</math>».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces intérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces intérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière" />. {{Al|5}}<u>Remarque 1</u> : Le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures }}peut aussi être défini à partir de la puissance instantanée développée par les forces intérieures s’exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="définition de la puissance développée par les forces intérieures"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Définition_2|définition]] (de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures peut aussi être défini }}selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - tetra"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : }}le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}s'obtenant en ajoutant tous les travaux élémentaires de <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}peut se calculer à partir de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> peut se calculer }}par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>». {{Al|5}}<u>Remarque 2</u> : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math><ref name="définition du référentiel Rj"> Le référentiel «<math>\;\mathcal{R}_j\;</math>» est le référentiel lié à <math>\,M_j\,</math> en translation par rapport au référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#cite_note-puissance_des_forces_intérieures_s'exerçant_sur_système_continu_de_matière_-_ter-55|⁵⁵]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> dans le référentiel <math>\,\color{transparent}{\mathcal{R}}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}_{\text{int}}(t)}</math> }}<math>= \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Autres_expressions_équivalentes|autres expressions équivalentes]] de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj"> Le point <math>\,M_i\,</math> décrivant dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_j</math> <math>\,\big[</math>lié à <math>\,M_j\,</math> et en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\big]\,</math> une trajectoire particulière <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}\;</math> entre les deux instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t)\big]\,</math> étant tangent à <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}</math>.</ref> ou <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures «}}<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right]\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : }}de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière" />{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" />{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" />. {{Al|5}}<u>Remarque 3</u> : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nulle <ref name="puissance des forces intérieures en général non nulle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (1^ère conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu"> Système discret de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique"> Le système se comporte donc comme un solide au sens de la mécanique.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures nulle pour un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (3^ème conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = 0\;\;\forall\;t\,</math> pour <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = 0\;\;\forall\;\left[ t\,,\,t + dt \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> le devient }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = 0\;\;\forall\;\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> ». === Théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Partant du théorème de la puissance cinétique appliqué, à l'instant <math>\,t</math>, à un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Énoncé|énoncé]] du théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> dans lequel <math>\,\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math> est la puissance cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{ext}}(t)\,</math> la puissance développée par les forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\,</math> celle développée par les forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la même date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on multiplie par <math>\,dt\,</math> pour obtenir la forme élémentaire du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir la forme élémentaire }}entre «<math>\;t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\;</math>» où <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> est la variation élémentaire d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{ext}}\,</math> le travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{int}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur le même <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on intègre entre <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique }}entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec <math>\,\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\,</math> variation d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\,</math> }}sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> le travail des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> le travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> celui des forces intérieures }}sur le même <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>. {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> étant nul quel que soit le mouvement du système » <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Définition_du_travail_du_système_des_forces_intérieures_appliquées_à_un_«_système_de_matière_»_entre_un_état_initial_et_un_état_final|définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un système de matière entre un état initial et un état final]] (remarque 3) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul }}<math>\Rightarrow</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide sous sa forme élémentaire ou <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide }}sur une durée finie : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière en translation » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière"> Système fermé discret fermé de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> en translation » <ref name="système en translation"> Un « système de matière en translation » ne se déformant pas peut aussi être qualifié de « solide » au sens de la mécanique.</ref>, tous les points ont le même vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> égal à celui du C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> <math>\,G\,</math> du système, d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\!G}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <ref name="signification du travail élémentaire développé par les forces extérieures appliquées à un système en translation"> Dans cette 3^ème expression «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» est aussi « le travail élémentaire qui serait développé, sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\,t + dt \right],</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>, par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans <math>\,\mathcal{R}\;</math>» <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», ce dernier s'obtenant par application du théorème du mouvement du C.D.I. <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Principe_fondamental_de_la_dynamique_et_théorème_de_la_résultante_cinétique#Énoncé_du_théorème_(dynamique_newtonienne)|énoncé du théorème (dynamique newtonienne)]] du mouvement du C.D.I. d'un système » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> correspondant aussi à l'application de la r.f.d.n. <math>\,\big(</math>relation fondamentale de la dynamique newtonienne<math>\big)\,</math> au point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>» sur lequel s'exercerait la résultante dynamique<math>\big\}</math>.</ref> dans laquelle «<math>\;\vec{F}_{\text{ext}}(t)\;</math> est la résultante <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}«}}dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» <ref> Voir les paragraphes « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_en_translation_»|cas d'un système de matière en translation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » et « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissancce développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces intérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{int},\,\text{syst. en transl.}} = 0\;</math>» <ref name="système en translation" />{{,}} <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>de la variation élémentaire de l'énergie cinétique du système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en transl.}}\;</math>» avec «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="signification de l'énergie cinétique d'un système en translation"> Dans cette 2^ème expression «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» est aussi « l'énergie cinétique newtonienne du point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans {{Nobr|<math>\,\mathcal{R}\,</math>»}} <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», tous les points du système en translation ayant même vitesse que le C.D.I. <math>\,G\big\}</math>.</ref> l'énergie cinétique <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, dans le cadre de la cinétique newtonienne <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en translation"> Voir le paragraphe « énergie cinétique dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Cas_d'un_système_en_translation|cas d'un système en translation]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique }}appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" />{{, }} <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque dans un référentiel galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> nous obtenons : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un référentiel <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière en translation <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> étant le C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> et <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =}</math> }}la résultante dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\,</math> ou <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste"> Applicable sous cette forme dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste.</ref> avec <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="système fermé de matière" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système en translation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =</math> <math>K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail effectué par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail effectué par la résultante dynamique }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <br>{{Al|208}}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Ce théorème <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais il doit bien sûr être connu <ref> Sans doute ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. car on considère usuellement un système de matière en translation comme un point matériel <math>\,\big(</math>le C.D.I. <math>\,G\,</math> du système<math>\big)\,</math> sur lequel s'exerce la résultante dynamique du système et, selon ce point de vue, le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un système de matière en translation n'est rien d'autre que le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un point matériel, lequel est, quant à lui, au programme <math>\;\ldots</math></ref>. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}<u>Préliminaire</u> : Un « système <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » peut, a priori, se déformer <ref name="système en rotation autour d'un axe"> Par exemple, en se dilatant, c.-à-d. que chaque point du système, en plus de sa rotation autour d'un axe fixe, s'éloigne radialement de cet axe <math>\,\big(</math>la vitesse d'éloignement pouvant être différente d'un point à un autre<math>\big)\,</math> mais dans ce cas il ne s'agit pas d'une rotation « pure » <math>\;\ldots</math> <br>{{Al|3}}Pour maintenir une même vitesse angulaire à un instant <math>\,t\,</math> pour tous les points d'un « système déformable », il faut que le mouvement orthoradial de chacun des points soit corrélé au mouvement radial correspondant, avec absence de mouvement axial, c.-à-d. que, pour deux points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> tels que la droite <math>\,M_iM_j\,</math> recoupe l'axe <math>\,\Delta\,</math> perpendiculairement en <math>\,H_{i,\,j}</math>, <math>\,\big[</math>les points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> ayant donc même abscisse angulaire <math>\,\theta_{i,\,j}(t)\big]\,</math> on ait <math>\,\dot{\theta}_{i,\,j}(t) = \overline{\Omega}(t)</math> <math>\,\big[</math>donc indépendant de <math>\,\left( i\,,\, j \right)\big]\,</math> pour tout instant <math>\,t\,</math> et pour tout couple <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> dont les éléments ont même abscisse angulaire, ces conditions étant très contraignantes sont quasiment jamais réalisées naturellement <math>\;\ldots</math></ref>, toutefois, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Préliminaire : un « système <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>fermé<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » }}il est, en pratique, indéformable et est alors qualifié de « solide » au sens de la mécanique ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Préliminaire : }}l’exposé ci-dessous s'applique à un système discret <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de points matériels ou un système continu <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}<u>Exposé</u> : Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière" /> indéformable, en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe <math>\,\Delta</math>, fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen », <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}tous les points ont le même vecteur rotation instantanée <math>\,\vec{\Omega}(t) = \overline{\Omega}(t)\;\vec{u}_{\Delta}\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\big[\vec{u}_{\Delta}\,</math> étant le vecteur unitaire orientant l'axe de rotation <math>\,\Delta\,</math> et <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\big[}</math>}}autour de cet axe de rotation <math>\,\Delta\big]\,</math> d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe"> Expression ne nécessitant pas que l'axe <math>\,\Delta\,</math> soit fixe, la fixité de l'axe dans un référentiel intervenant quand ce dernier est galiléen et quand on utilise l'un des théorèmes fondamentaux de la dynamique de rotation des systèmes <math>\,\big\{</math>par exemple le théorème de l'énergie cinétique établi dans ce paragraphe mais le traavail élémentaire déveeloppé par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» ne nécessite pas que <math>\,\Delta\,</math> soit fixe<math>\big\}</math>.</ref>{{,}} <ref name="travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur un système en rotation"> Voir le paragraphe « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> {{Nobr|«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)</math>}} <math>= \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;</math>» et le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\delta W\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right] = \mathcal{P}\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right]\;dt\;</math>» puis, en faisant la somme membre à membre de façon à définir le travail élémentaire du sytème des forces extérieures s'exerçant sur le système en rotation «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)\;dt\;</math>».</ref> où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> est le moment <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» ou, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>du travail élémentaire }}avec «<math>\;\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta\;</math>» dans lequel <math>\,\theta(t)\,</math> est l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, la réécriture <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>,«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>de la variation de l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}}\;</math>» avec, l'énergie cinétique, à l'instant <math>\,t</math>, de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le cadre de la cinétique newtonienne «<math>\;K_{\text{syst. en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en rotation autour d'un axe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d’un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d’un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> avec «<math>\;J_\Delta\,</math> le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}relativement à <math>\,\Delta\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe"> Voir la notion de moment d'inertie d'un système discret ou continu dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Application_à_un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe#Application_au_cas_d'un_«_système_fermé_de_matière_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe_«_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|application d'un système fermé de matière en rotation autour d'un axe Δ fixe quelconque dans un référentiel d'étuide galiléen]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> d'où, en cinétique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> appliqué à un solide <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_solide_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d'un système }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> avec «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» et «<math>\;\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <math>\,\overline{\Omega}(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}<math>= \dot{\theta}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> encore égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>avec <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> et <math>\,\theta(t)\,</math> l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" />, sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail du moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail du }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[\theta(t)\,</math> étant l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation est égale au travail du «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[\theta}\,</math> étant l'abscisse angulaire }}à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> étant le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = 2\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)}\;</math>» <math>\,\big[</math>}}<math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] <math>\,\big(</math>photographié ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_(non_amorti)|mise en équation différentielle du mouvement du pendule de torsion (non amorti)]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Théorème_de_la_puissance_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_autour_d'un_axe_Δ_fixe_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe dans un référentiel d'étude galiléen]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. {{Al|5}}Ci-contre le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec deux fils de torsion identiques de même constante de torsion «<math>\;C\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec }}positions de masselottes identiques <math>\,\big(</math>sauf pour la couleur<math>\big)\,</math> de part et d'autre du point <math>\,C\,</math><ref name="distinction entre point d'attache des fils sur la tige et constante de torsion des fils"> On accepte la même notation pour le point d'attache des deux fils sur la tige et la constante de torsion de ces derniers tant qu'il n'y a pas d'ambiguïté <math>\,\big(</math>ce qui ne devrait jamais arriver compte-tenu du fait que ces deux grandeurs sont de nature différente<math>\big)</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec positions de masselottes identiques }}<math>\,\big(C\,</math> point d’attache des deux fils de torsion sur la tige<math>\big)</math> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre <math>\,\big(</math>en absence de masselottes<math>\big)\,</math> diffère du « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] » de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici l'extrémité supérieure <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil de torsion supérieur est mobile au lieu d'être fixe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur étant dans les deux fixe et <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici la torsion initiale est fournie par rotation propre de <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> d'un angle «<math>\;2\,\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>repéré sur le cercle gradué lié à <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}</math>, position de référence du cercle gradué<math>\big)\,</math> <math>\Rightarrow</math> en pratique, après quelques oscillations, la tige <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}acquiert la position d'équilibre repérée par l'angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>voir vérification ci-dessous<math>\big)\,</math> alors que <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] la torsion initiale est fournie par rotation de la tige d'un angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>également repéré <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>dans le pendule du chap.7 }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}\big)</math>, la position d'équilibre de la tige étant repérée par l'angle nul ; {{Al|5}}<u>vérification de la position d'équilibre de la tige dans le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}orientant les deux fils de torsion du bas vers le haut, quand la tige acquiert la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion supérieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche"> Une hélice est « droite » si le point tourne sur la gauche <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique direct ou encore dans le sens antihoraire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée et <br>{{Al|31}}elle est « gauche » si le point tourne sur la droite <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique indirect ou encore dans le sens horaire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée <br>{{Al|3}}<math>\,\big[</math>revoir aussi la distinction « hélices gauche ou droite » dans le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Mouvement_de_particules_chargées_dans_des_champs_électrique_et_magnétique_:_Cas_particulier_d'un_champ_magnétostatique_uniforme#Nature_hélicoïdale_uniforme_du_mouvement_de_la_particule|nature hélicoïdale uniforme du mouvement de la particule]] » du chap.<math>24</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> d'un angle «<math>\;\theta_1 - 2\;\theta_1 = -\theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil"> L'angle de torsion du fil qui intervient dans le vecteur moment du couple de torsion est l'angle que fait l'extrémité mobile relativement à l'extrémité maintenue fixe même si cette extrémité est fixée avec torsion initiale comme c'est le cas pour le fil supérieur <math>\,\big\{</math>on peut vérifier que cette définition correspond bien au schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » car {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{A_0B_0}\;</math>»}} est lié à l'extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil supérieur et «<math>\;\overrightarrow{AB}\;</math>» à l’extrémité mobile <math>\,C\,</math> et il en est de même pour l'éventuel fil de torsion inférieur<math>\big\}</math>.</ref> par rapport à son extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion supérieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} = -C \left( -\theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion inférieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche" /> d’un angle «<math>\;\theta_1 - 0 = \theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil" /> par rapport à l’extrémité <math>\;O_{\text{inf}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion inférieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = -C \left( \theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = -C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur la tige vérifiant «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} + \vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = \vec{0}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur }}la tige est effectivement en équilibre dans cette position <math>\;\ldots</math> {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <math>\,\big\{</math>ensemble solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC"> L'axe <math>\,\Delta_C\,</math> est le support des fils de torsion.</ref> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemb}}le solide étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles"> Repérée par rapport à la position de l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemble solide étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des masselottes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des masselottes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des masselottes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur"> L'angle de torsion du fil supérieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 2\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation"> Il s'agit de l'application de la puissance instantanée développée par un système de forces extérieures sur un solide en rotation autour d'un axe fixe <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d'un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> quand le système de forces extérieures est équivalent à un couple <math>\,\big[</math>c.-à-d. un système dont la résultante est nulle et dont le moment résultant scalaire relativement à l'axe de rotation définit le moment scalaire du couple<math>\big]</math>.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur"> L'angle de torsion du fil inférieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 0 = \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cin%C3%A9tique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d'un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;</math> est le moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et masselottes » en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_C\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre"> Ce qui suppose que <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> est non identiquement nulle <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\theta(t)\,</math> n'est pas une constante c.-à-d. que le solide n'est pas à sa position d'équilibre.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à droite «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta_1\;</math>», équation différentielle linéaire <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants sans terme du 1^er ordre hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_non_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition non énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] », la présence d'un 2^nd membre constant signifiant que le paramètre caractérisant l'oscillateur dans l'espace n'est pas nul à l'équilibre.</ref> de rotation ; {{Al|5}}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Conséquence_«_le_pendule_de_torsion_(non_amorti)_est_un_oscillateur_harmonique_non_amorti_de_rotation_»|conséquence : le pendule de torsion (non amorti) est un oscillateur harmonique non amorti de rotation]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » ; [[File:Pendule de torsion amorti - vue de dessus.png|thumb|300px|Vue de dessus d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti par substitution d'ailettes planes aux masselottes fixées sur la tige <math>\,\big(</math>les fils de torsion supérieur et inférieur <math>\,\perp\,</math> au plan de la figure ne peuvent y être représentés<math>\big)</math>]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> du }}<math>\big(</math>voir vue de dessus partielle représentée ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre étant écarté initialement comme celui de début de paragraphe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, le pendule ci-contre étant écarté initialement }}la tige acquiert donc une position d'équilibre repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}l'ensemble « tige et ailettes » étant un solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC" /> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant }}le solide est, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant le solide est, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}les actions extérieures sont <math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des ailettes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{ailettte}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des ailettes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des ailettes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{ailette}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu dans lequel se déplace le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] exercent sur les ailettes, modélisées par un <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> }}couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Couple_de_frottement_fluide_linéaire_agissant_sur_le_pendule_par_l’intermédiaire_des_ailettes|couple de frottement fluide linéaire agissant sur le pendule par l'intermédiaire des ailettes]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple }}<math>\big[H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}et du fluide sur lequel frottent les ailettes<math>\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide la puissance instantanée }}selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\,</math> est le moment d'inertie du solide « tige + ailettes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et ailettes » en rotation autour de <math>\,\Delta_C\,</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t) - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t) - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1 - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étudié «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta_1\;</math>», équation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}différentielle linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique" /> de rotation ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Loi_horaire_de_position_angulaire_du_pendule_de_torsion_amorti|loi horaire de position angulaire du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ». == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule pesant non amorti à un degré de liberté - forces extérieures.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté <math>\,\big(</math>schématisé ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_non_amorti_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_du_moment_cinétique_scalaire|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant non amorti (à un degré de liberté) par application du théorème du moment cinétique scalaire]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />. {{Al|5}}Ci-contre schéma de face du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] idéale <ref name="liaison idéale"> C.-à-d. dans laquelle on peut négliger les frottements solides.</ref> du solide en rotation autour de l’axe horizontal <math>\,\Delta_O\;</math><ref name="liaison pivot du pendule"> Pour plus de détails voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Présentation_du_pendule_pesant_(non_amorti)_«_P.P.(N.A.)_»|présentation du pendule pesant (non amorti) P.P.(N.A.)]] (liaison pivot avec le point O) » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Non Amorti.</ref> à un degré de liberté ayant un mouvement de rotation imposé par la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] du solide avec l'axe <math>\,\Delta_O</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté }}son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,O</math>, d'axe <math>\,\Delta_O\,</math> orienté par le vecteur unitaire «<math>\;\vec{u}_{\Delta_O}\;</math>» et <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,\color{transparent}{O}</math>, }}de rayon «<math>\;\mathfrak{a}\;</math>» avec, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. }}<math>G\,</math> repéré par son abscisse angulaire «<math>\;\theta_G(t) = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\overrightarrow{OG}(t) \right\rbrace} = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\vec{u}_r(t) \right\rbrace}\;</math>» <ref name="noté theta"> Noté «<math>\;\theta(t)\;</math>» par la suite en absence d'ambiguïté.</ref> ; {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = \left[ \overrightarrow{OG}(t) \wedge m\;\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_O} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids"> Le moment vectoriel du poids par rapport à <math>\,O\,</math> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)\;</math>» a établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_liaison_sphérique_et_avec_les_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b),_établissement_de_la_nature_plane_du_mouvement_du_C.D.I._G_du_P.P.(N.A.)|dans le cas d'une liaison sphérique et avec les C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), établissement de la nature plane du mouvement du C.D.I. G du P.P.(N.A.)]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] », soit «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\varphi_G}(t)\;</math>» avec <math>\,\vec{u}_{\varphi_G}\,</math> s'identifiant à <math>\,\vec{u}_{\Delta_O}</math>. <br>{{Al|3}}On pouvait aussi déterminer directement le moment scalaire du poids, le schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_«_liaison_pivot_»_ou_d’une_«_liaison_sphérique_avec_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b)_»,_nouveau_repérage_adapté_à_la_nature_rotatoire_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_à_un_degré_de_liberté|dans le cas d'une liaison pivot ou d'une liaison sphérique avec C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), nouveau repérage adapté à la nature rotatoire du mouvement du P.P.(N.A.) à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » étant fait avec le paramètre de position angulaire <math>\,\theta > 0</math>, on observe que le poids tend à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,-\,</math> avec un bras de levier <math>\,\big(</math>distance orthogonale séparant l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du support de <math>\,m\;\vec{g}\big)\,</math> égal à <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où, dans le cas où <math>\,\theta\,</math> est <math>\,> 0</math>, {{Nobr|«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)</math>}} <math>= - \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>» <math>\,\Big\{</math>le résultat est indépendant du signe de <math>\,\theta\,</math> mais si le schéma était fait avec <math>\,\theta < 0</math>, on observerait que le poids tendrait à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,+\,</math> avec un bras de levier <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = + \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = m\;g\;\left[ -\mathfrak{a}\; \sin(\theta) \right] = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>», soit effectivement le même résultat <math>\,\big[</math>avec toutefois une possibilité d'erreur si on oubliait que <math>\,\theta < 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert = -\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\big]\Big\}</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_particulier_où_M_est_en_mouvement_circulaire_d'axe_Δ_et_de_vitesse_angulaire_instantanée_Ω(t)|cas particulier où M est en mouvement circulaire d'axe Δ et de vitesse angulaire instantanée Ω(t)]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> de la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I."> Conditions Initiales.</ref> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O"> On a établi dans la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#cite_note-réduction_à_deux_composantes_de_la_réaction_dans_ces_C.I.-18|¹⁸]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » que la réaction du point <math>\,O\,</math> dans l'hypothèse d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] sur le pendule lancé dans les C.I. <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\,</math> ou <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\,</math> s'écrirait <math>\,\vec{R}(t) =</math> <math>R_{\rho_G}(t)\;\vec{u}_{\rho_G}(t) + R_z(t)\;\vec{u}_z</math>, c.-à-d. que la réaction serait dans le plan vertical de lancement soit encore «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» ; <br>{{Al|3}}on établit de même <math>\,\big[</math>sans que cela ait été exposé dans le chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> que la réaction de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le pendule quels que soient les C.I. de lancement compatibles avec la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] s'écrit «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>».</ref> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul"> En effet la force étant <math>\,\perp\,</math> à l'axe par rapport auquel son moment scalaire est évalué est de bras de levier nul.</ref> auquel s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe"> Le couple étant de moment vectoriel <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta_O</math>.</ref> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée à la date <math>\,t\,</math> par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée développée à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|7}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}sans terme du 1^er ordre ; {{Al|5}}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique"> On appelle « [[w:Solution_de_forme_fermée|solution analytique]] » d'une équation différentielle, une expression mathématique <math>\,\big(</math>souvent dite « formule explicite »<math>\big)\,</math> pouvant s'obtenir par une combinaison d'opérations et de [[w:Fonction_de_référence|fonctions de référence]] <math>\,\big(</math>c.-à-d. fonctions affines, puissances, trigonométriques et exponentielles ainsi que leurs fonctions inverses sur un domaine de définition restreint pour lequel il y a bijection et même certaines solutions d'équations différentielles dites de référence<math>\big)</math>, les opérations étant l'addition, la soustraction, la multiplication, la division et l'extraction de racines.</ref> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’élongations_angulaires_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'élongations angulaires non petites]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il est nécessaire de procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="solution analytique dans le cas d'élongations petites"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Cas_particulier_des_«_petites_élongations_angulaires_»,_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_=_oscillateur_harmonique_(non_amorti)_approché_de_rotation,_période_des_«_petites_oscillations_»|cas particulier des petites élongations angulaires, pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) oscillateur harmonique (non amorti) approché de rotation, période des petites oscillations]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. [[File:Pendule pesant amorti à un degré de liberté - forces extérieures - bis.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures, <math>\,I\,</math> étant le point où la résultante des forces de frottement fluide peut être appliquée]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti <math>\,\big(</math>voir coupe partielle représentée ci-contre<math>\big)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire" /> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I." /> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O" /> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul" /> où s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe" /> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu où se déplace le [[w:Pendule_pesant|pendule]] exercent sur ce dernier, modélisées par <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}un couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_O}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti" />{{,}} <ref name="définition de H"> <math>\,H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]], de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frotte le solide.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Amorti.</ref> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0 - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right] - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_O}}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}avec terme linéaire du 1^er ordre ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique" /> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’amplitudes_initiales_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'amplitudes initiales non petites]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il faut procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique - bis"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » nécessitant néanmoins d'ajouter le terme d'amortissement <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A." />. == « En complément », caractère conservatif du couple de torsion, énergie potentielle de torsion et conservation de l’énergie mécanique du pendule de torsion (non amorti) dans le champ de torsion du fil == {{Al|5}}Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » ne sont pas explicités dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » }}il me semble souhaitable de le retenir <math>\,\big(</math>et bien sûr d’être capable de le retrouver<math>\big)</math>. === Caractère conservatif du couple de torsion === {{Al|5}}Le travail élémentaire d’un couple de torsion s’exerçant sur un solide, de vecteur moment «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t) = -C\;\alpha(t)\;\vec{u}_\Delta\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Expression_du_vecteur_moment_du_couple_de_torsion_exercé_par_le_fil_en_fonction_de_l'angle_de_torsion_«_α(t)_»,_notion_de_constante_de_torsion_«_C_»_du_fil_de_torsion|expression du vecteur moment du couple de torsion exercé par le fil de torsion α(t), notion de constante de torsion C du fil de torsion]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> lors d’une torsion élémentaire «<math>\;d \alpha\;</math>» <ref name="définition de Delta et alpha sur le fil de torsion"> <math>\,\Delta\,</math> étant la direction du fil de torsion orienté par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et «<math>\;\alpha\;</math>» l'angle de torsion algébrisé, défini au niveau de la liaison au solide dans le plan <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta\,</math> et orienté par <math>\,\vec{u}_\Delta</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion }}étant défini selon «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>», <math>\,\big[\overline{\Omega}(t)\,</math> étant la vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt}\;</math>», <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \alpha\;</math>»<math>\big]\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> soit finalement <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon }}«<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -C\;\alpha\; d \alpha\;</math>» correspondant à une différentielle de fonction <math>\Rightarrow</math> le <u>caractère conservatif du couple de torsion</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple"> Pour montrer qu’une force est conservative, on évalue son travail élémentaire en prenant un vecteur déplacement élémentaire quelconque <math>\,\overrightarrow{dM}\,</math> à partir du point d'application <math>\,M\,</math> de la force <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#2ème_définition_(équivalente)_d'une_force_«_conservative_»|2^ème définition (équivalente) d'une force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> ; <br>{{Al|3}}lorsqu'il s’agit d'un couple de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, il faut évaluer son travail élémentaire en envisageant une rotation élémentaire quelconque autour de n'importe quelle direction, le couple est alors conservatif si ce travail élémentaire est une différentielle de fonction mais <br>{{Al|3}}{{Transparent|lorsqu'il s'agit d'un couple }}dans le cas d’un couple de torsion de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, la seule direction autour de laquelle peut s’effectuer une rotation élémentaire est celle du fil c.-à-d. celle de <math>\,\vec{\Gamma}\,</math> et par suite la seule condition pour que le couple de torsion soit conservatif est que son travail élémentaire en considérant une rotation élémentaire autour de la direction du fil de torsion soit une différentielle de fonction ou encore que « le moment scalaire du couple de torsion par rapport au fil ne dépende que de l'angle de torsion <math>\,\alpha\;</math>» C.Q.E.R. <math>\,\big(</math>Ce Qui Est Réalisé<math>\big)</math>.</ref>. === Énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion === {{Al|5}}L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,U_{\text{tors}}\,</math> dont « dérive » le couple de torsion de vecteur moment <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}est définie par «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#1ère_définition_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|1^ère définition de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> c.-à-d. «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(\alpha)\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\,</math> ou <math>\,-C\;\alpha\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <math>\Leftrightarrow</math> «<math>\;\dfrac{dU_{\text{tors}}}{d \alpha} = C\;\alpha\;</math>» soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}en intégrant «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2 + cste\;</math>» ; choisissant la référence de l’énergie potentielle de torsion <math>\;U_{\text{tors}}(\alpha)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle"> C.-à-d. l'endroit où l'énergie potentielle est choisie nulle.</ref> <br>{{Al|7}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> en intégrant «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\alpha) = 2\; C\;\alpha^2 + cste}\;</math>» ; choisissant la référence }}quand le fil n’est pas tordu c.-à-d. <math>\,U_{\text{tors}}(0) = 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = 0</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}l'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d’un fil et sa conservation en absence de frottement === [[File:Pendule de torsion sans masselottes - actions exercées.png|thumb|500px|Schéma d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] représenté sans masselottes additives et avec fil inférieur sans torsion avec ajout des actions exercées sur la tige à l'instant <math>\;t</math>]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec un seul fil de torsion, l'autre fil étant sans torsion <math>\,\big(</math>voir schéma ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec un seul fil de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}la seule action extérieure de moment scalaire non nul par rapport à la direction <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}commune du fil de torsion et du fil sans torsion <math>\;\big(</math>orientée par le vecteur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> étant le couple « conservatif » de torsion <ref name="conservativité du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Caractère_conservatif_du_couple_de_torsion|caractère conservatif du couple de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}moment vectoriel «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}} = -C\;\alpha\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion /> auquel on associe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie potentielle de torsion du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre valant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;U_{\text{tors}}(t) =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion énergie potentielle de torsion }}<math>\,\dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_torsion_du_solide_relié_au_fil_de_torsion|énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}son énergie cinétique à la date <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{pend. tors.}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique }}<math>J_{CO_{\text{sup}}}\,</math> est le moment d'inertie du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] relativement à la <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique <math>\color{transparent}{J_{CO_{\text{sup}}}}\,</math> est }}direction du fil de torsion et du fil sans torsion <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à l'instant <math>\,t\,</math> selon «<math>\;E_m(t) = K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Propriétés_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|propriétés de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] (2^ème propriété) » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha_0 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\alpha(0) = \alpha_0\;</math> et <math>\,\dot{\alpha}(0) = 0\;</math>». [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]]]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige <math>\,\big(</math>voir photographie ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec deux fils de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}il y a deux actions extérieures s'exerçant sur le solide « tige + masselottes » de moment scalaire non nul par rapport à <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}la direction commune <math>\,\Delta_C\,</math> des deux fils de torsion <math>\,\big(</math>orientée par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}élémentaire du solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}prouve le <u>caractère conservatif du couple de torsion du fil supérieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}supérieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = -d U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta = -d U_{\text{tors. sup.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. sup.}}}{d \theta} = C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\,</math> qui s'intègre en <math>\,U_{\text{tors. sup.}}</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,= \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> et, en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. sup.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du solide à l'équilibre » c.-à-d. <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre"> Revoir l'explication rappelée dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans le chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil supérieur du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta_1 - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_1 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion"> Symboliquement l'énergie potentielle d'un solide dans le champ de torsion d'un fil de torsion s'obtient, à une constante additive près, par la moitié du produit de la constante de torsion du fil et du carré de l'angle de torsion, à l'instant <math>\;t</math>, du fil au point d'attache du solide.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation élémentaire du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\; \theta(t)\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et prouve le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<u>caractère conservatif du couple de torsion du fil inférieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}inférieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = -d U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\;\theta\;d \theta = -d U_{\text{tors. inf.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. inf.}}}{d \theta} = C\; \theta\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{tors. inf.}} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} + cste_2\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. inf.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position du solide à l'équilibre » c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil inférieur du solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2} + cste_2 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_2 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}finalement l'énergie potentielle globale de torsion du solide « tige + masselottes » <math>\,\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale }}s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = U_{\text{tors. sup.}}(\theta) + U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» ou, en simplifiant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale s'écrit }}«<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2\;</math>» <ref> En effet <math>\,\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + 2\;C\; \theta_1^{\,2} + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + C\; \theta_1^{\,2} = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2</math>.</ref>{{,}} <ref> Cette énergie potentielle de torsion du solide « tige + masselottes » est la même que celle que l'on obtiendrait avec un seul fil de torsion de constante de torsion <math>\,2\,C</math>, l'autre fil étant sans torsion avec la référence en la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>.</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule ci-dessus étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «<math>\;\color{transparent}{K_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#%Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torion par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique de l'ensemble tige + masselottes) » plus haut dans ce chapitre.</ref> avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule }}<math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion des deux fils définie, à l'instant <math>\,t\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie mécanique }}«<math>\;E_m(t) = K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}\! \left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\alpha\;</math>» dans le 1^er exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] ou <br>{{Al|57}}celui «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta - \theta_1 \right]^2 \,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du 2^ème exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|même]] paragraphe <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}étant parabolique, nous retrouvons la <u>2^ème définition d’un oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math>de rotation<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_(équivalente)_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition (équivalente) énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. <br>{{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> de son mouvement dans le 2^ème exemple du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}«<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2 = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>», <br>{{Al|58}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}les C.I. <ref name="C.I." /> étant «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}est donc une <u>ellipse décrite dans le sens horaire</u> <ref name="portrait de phase d'un socillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Tracé_du_portrait_de_phase_de_la_charge_du_condensateur_d'un_«_R_L_C_série_»_soumis_à_un_échelon_de_tension_suivant_le_cœfficient_d'amortissement|propriétés des portraits de phase de la charge du condensateur d'un RLC série soumis à un échelon de tension suivant le cœfficient d'amortissement]] (cas d'un circuit oscillant non amorti en vert) » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. == Conservation de l’énergie mécanique du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) dans le champ de pesanteur uniforme == === Énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant === {{Al|5}}Dans le cas d'un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref><math>\big)</math>, le poids du solide étant la seule action extérieure travaillant et ce dernier étant conservatif <ref name="poids d'un objet conservatif"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Établissement_du_caractère_«_conservatif_»_du_poids_d'un_point_matériel_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|établissement du caractère conservatif du poids d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, }}on lui associe l'énergie potentielle de pesanteur «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta)\;</math>» <ref name="énergie potentielle de pesanteur"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#«_Énergie_potentielle_de_pesanteur_d'un_point_matériel_»_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|énergie potentielle de pesanteur d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> déterminée en intégrant «<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = -dU_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> avec <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)\,</math> travail élémentaire du poids lors d'une rotation élémentaire d'angle <math>\,d \theta = \dot{\theta}(t)\;dt\,</math> autour de <math>\,\Delta_O\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe «<math>\;\color{transparent}{\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)}\,</math>}}<math>= \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;dt = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)\;dt = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;d \theta\;</math>» <ref name="travail élémentaire du poids du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (actions extérieures exercées sur le solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> d'où <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}<math>\,-dU_{\text{pes}} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\;d \theta\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{pes}}}{d \theta}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\,</math> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right) + cste\;</math>» <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}soit, en choisissant comme référence de l'énergie potentielle <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> « la position <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}d'équilibre stable de ce dernier <ref name="équilibre stable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessous de ce dernier.</ref> <math>\,\theta_{\text{éq. stable}} = 0\;</math>» d'où <math>\,U_{\text{pes}}(0) = 0\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}<math>\Rightarrow</math> <math>\,0 = -m\;g\;\mathfrak{a} + cste\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = m\;g\;\mathfrak{a}\,</math> d'où l'expression de <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}l'énergie potentielle de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> se réécrit selon <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta \right) \right]\;</math>» <ref> Pour trouver l'expression de l'énergie potentielle de pesanteur on peut aussi utiliser <math>\,\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = m\;g\;dz_G = -dU_{\text{pes}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{pes}} = -m\;g\;z_G + cste\,</math> sachant que <math>\,z_G = \mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right)\,</math> avec pour position d'équilibre stable <math>\,z_{G,\,\text{éq. stable}} = \mathfrak{a}</math> <math>\;\ldots</math></ref> <math>\,\big(</math>référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : la position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement === {{Al|5}}Considérant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A." /><math>\big)</math>, l'énergie potentielle de pesanteur étant «<math>\;U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right] = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\,</math> avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> <math>\,\theta_{\text{équi. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P."/> » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> et <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie cinétique du solide constituant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique du solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> dans laquelle <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie cinétique}}«<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du solide par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie mécanique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> dans le champ de pesanteur «<math>\;E_m\!(t) = K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) + U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right]</math> <br>{{Al|23}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie mécanique du P.P.N.A. dans le champ de pesanteur «<math>\;\color{transparent}{E_m\!(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{P.P.N.A.}}(t) + U_{\text{pes}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P..P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\,\left[ 1 - \cos(\theta) \right]\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}n'étant pas parabolique <math>\,\big(</math>mais sinusoïdal<math>\big)</math>, nous pouvons affirmer que <u>le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> n'est pas un oscillateur harmonique</u> <math>\,\big(</math>quand il est en situation d'osciller<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <math>\blacktriangleright\;</math>« oscillatoire pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'énergie mécanique initiale du P.P.N.A. vaut «<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^2 + m\;g\; \mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta_0 \right) \right]\;</math>».</ref> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. est }}<math>\blacktriangleright\;</math>« révolutive pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="étude du mouvement d'un P.P.N.A. par diagramme d'énergies"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Étude_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_dans_le_cas_général_des_élongations_angulaires_non_petites_par_diagramme_énergétique|étude du mouvement du P.P.(N.A.) dans le cas général des élongations angulaires non petites par diagramme énergétique]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}de démontrer, avec utilisation simultanée de l'intégrale 1^ère énergétique <ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'intégrale 1^ère énergétique du P.P.N.A. s'écrit «<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^{\,2} + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet de démontrer, }}la nature « périodique <math>\,\big(</math>oscillatoire ou révolutive<math>\big)\;</math>» ainsi que <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}d’établir l’expression de la période sous forme intégrale <math>\ldots</math> {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Les [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d’un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ayant pour équation implicite l’intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\;</math><ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" /> de son mouvement lequel dépend de la valeur de l'énergie mécanique initiale <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />, <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. }}diffèrent suivant <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="différents portraits de phase d'un P.P.N.A."> Voir les paragraphes « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Tracé_des_portraits_de_phase_dans_le_cas_général_«_d'oscillations_ou_de_mouvement_révolutif_»_d'un_P.P.S._lancé_dans_les_C.I._«_1b_U_1a_»|tracé des portraits de phase dans le cas général d'oscillations ou de mouvement révolutif d'un P.P.S. lancé dans les C.I. 1b U 1a]] » du chap.<math>12</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\,\big(</math>l'allure des [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti étant la même que ceux d'un [[w:Pendule_simple|pendule simple]] non amorti<math>\big)\,</math> et « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Différents_portraits_de_phase_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté),_«_bifurcation_»_entre_mouvement_«_pendulaire_»_et_révolutif|différents portraits de phase du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté), bifurcation entre mouvement pendulaire et révolutif]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>pendulaire</u> <ref name="pendulaire"> Adjectif synonyme d'« oscillatoire ».</ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>fermé</u>, décrit dans le « <u>sens horaire</u> » <ref name="justification du sens horaire"> Ou « trigonométrique indirect », en effet « quand <math>\,\dot{\theta}\,</math> est <math>\,> 0</math>, <math>\,\theta \nearrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \nearrow\,</math> puis <math>\,\searrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule » ensuite «<math>\;\dot{\theta}\,</math> est <math>\,< 0</math>, correspondant à <math>\,\theta \searrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \searrow\,</math> puis <math>\,\nearrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule de nouveau » <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}avec le point «<math>\;\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)\;</math>» comme « <u>centre de </u>{{Nobr|<u>symétrie</u> » <ref name="justification du centre de symétrie"> Invariance de l’équation en changeant «<math>\;\theta\,</math> en <math>\,-\theta\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des vitesses angulaires <math>\,\big(</math>en fait antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>» et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Invariance de l’équation }}en changeant «<math>\;\dot{\theta}\,</math> en <math>\,-\dot{\theta}\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des abscisses angulaires <math>\,\big(</math>là encore c'est une antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|3}}l’association des deux symétries axiales <math>\,\big(</math>ou plutôt des deux antisymétries axiales<math>\big)\,</math> donnant un centre de symétrie pour l'intersection des deux axes <math>\,\big[</math>le point d'intersection des deux axes étant réellement une symétrie centrale <math>\,\big(</math>et non une antisymétrie centrale<math>\big)</math>.</ref>}} <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, avec le point «<math>\;\color{transparent}{\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)}\;</math>» }}correspondant à la position d’équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /> du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ; <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> }}<math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>révolutif</u>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>ouvert</u>, constitué de la <u>répétition du motif de l'intervalle</u><math>\;\left] -\pi\, , \, \pi \right]</math>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase }}répété <math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \nearrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} > 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 > 0\;</math>» ou <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase répété }}<math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \searrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} < 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 < 0\;</math>», <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)\;</math>» et celui avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,-\dot{\theta}_0 > 0 \right)\;</math>» <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, le portrait de phase avec C.I. «<math>\;\color{transparent}{\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)}\;</math>» }}étant <u>antisymétriques</u> l'un de l'autre, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>maxima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre stable</u> <ref name="équilibre stable du P.P." /> «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres stables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» ;<br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}\;</math>»<math>\big)\;</math> alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big)</math>.</ref> et <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>minima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre instable</u> <ref name="équilibre instable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessus de ce dernier.</ref> «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;</math> <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, les minima de<math>\;\color{transparent}{\vert \dot{\theta} \vert}\;</math>obtenus pour les positions d’équilibre instable «<math>\;\color{transparent}{\theta_{\text{éq. inst.}} =}</math> }}<math>\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres instables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = -\left( 2\;p' + 1 \right)\, \pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big[</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big]\;</math>.</ref>. == « Généralisation » à tout « solide » : « théorème de la variation de l’énergie mécanique » et la forme locale associée « le théorème de la puissance mécanique », application au cas d’un solide amorti == {{Al|5}}Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à la généralisation à tout système de points matériels ou continu de matière « indéformable » <ref name="solide au sens de la mécanique" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à }}la généralisation aux systèmes de points matériels ou continus de matière « déformables » sera faite dans le chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Lois_de_l'énergie_cinétique_pour_un_système_déformable_de_points_matériels#«_En_complément_»,_théorème_de_la_variation_de_l’énergie_mécanique_appliqué_à_un_système_de_matière_déformable_dans_le_champ_des_forces_extérieures_et_intérieures_conservatives_et_sa_forme_locale_«_le_théorème_de_la_puissance_mécanique_»|en complément : théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un système de matière déformable dans le champ des forces extérieures et intérieures conservatives et sa forme locale le théorème de la puissance mécanique]] » du chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. === Théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s’écrivant «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\bullet\;</math>celles qui sont conservatives <math>\,\big(</math>lesquelles « dérivent » d’une énergie potentielle<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{ransparent}{\bullet}\;</math>}}dont le travail pendant cette durée finie est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées }}<math>\bullet\;</math>celles qui sont non conservatives <ref name="non conservatives"> Ou, si elles sont conservatives, dont on ne considère pas le caractère « conservatif ».</ref> dont le travail pendant cette durée finie <br>{{Al|12}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>celles qui sont non conservatives dont }}est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}d'où «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou, avec «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, }}<math>\big(U_{\text{ext}}\,</math> étant l'énergie potentielle dont dérivent les forces conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, <math>\color{ransparent}{\big(}</math>}}définie à une constante additive près précisée par choix de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}<math>\Rightarrow</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» d’où la réécriture du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « solide <math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\left( \mathcal{S} \right)} + U_{\text{ext}} \right] = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» où on reconnaît dans le 1^er membre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}la variation de l’énergie mécanique «<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t) + U_{\text{ext}}\!(t)\;</math>» du solide «<math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le champ des forces conservatives sur la durée <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> dans le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où dans le champ des forces conservatives }}référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen d'où, finalement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}le lien entre la variation de l'énergie mécanique du « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;\Delta E_m = E_{m,\,\mathcal{F}} - E_{m,\,\mathcal{I}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» le lien }}le travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> sur cette même durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}«<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» applicable à un solide dans un référentiel d’étude galiléen, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}l'énoncé du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie dans un référentiel galiléen <ref> Ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. sous la forme où il existe des forces extérieures non conservatives dissipatives mais, comme le cas où toutes les forces extérieures travaillant sont conservatives est clairement explicité <math>\,\big(</math>sous la forme de la conservation de l’énergie mécanique du solide<math>\big)</math>, le cas où il existe des forces extérieures travaillant et non conservatives <math>\,\big(</math>comme des forces de frottement<math>\big)\,</math> s’appliquant à un solide peut difficilement être ignoré d'où l'ajout du théorème sous sa forme la plus générale <math>\;\ldots</math></ref>. : {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}<math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <math>\,K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation «<math>\;\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» }}égale au travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale au travail }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire dans un référentiel galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique }}se déduit aisément de sa forme sur une durée finie soit {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}conservatives <math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}<math>K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> <math>\color{transarent}{K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)}\,</math> l'énergie cinétique }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation élementaire«<math>\;d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t)\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» }}égale au travail élémentaire des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» égale au travail }}appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;d E_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide }}est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée finie ou élémentaire se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>». === Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de la puissance mécanique est la forme locale associée à la forme intégrée <ref name="forme intégrée de forme locale" /> “ théorème de la variation de l'énergie mécanique sur une durée finie ou élémentaire ” ; {{Al|5}}pour obtenir cette forme locale on écrit le théorème de la variation de l’énergie mécanique d’un solide dans le champ des forces extérieures conservatives entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math><ref> C.-à-d. la forme élémentaire du théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un solide.</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on écrit }}«<math>\;dE_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\,</math> dans un référentiel galiléen » puis, <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on divise les deux membres par <math>\,dt\,</math> soit «<math>\;\dfrac{dE_m}{dt} = \dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{dE_m}{dt}\;</math>» est la dérivée temporelle de l’énergie mécanique du solide dans le champ des forces extérieures conservatives définissant <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}la puissance mécanique du solide à l'instant <math>\,t\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives, notée «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» la puissance instantanée développée, à l'instant <math>\,t</math>, par les forces extérieures non conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}appliquées au solide notée «<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on obtient «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» d'où l'énoncé du théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen : {{Théorème|titre=Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide »|contenu = {{Al|5}}La puissance mécanique à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> <math>\big[</math>avec, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie mécanique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{ext}}(t)}\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces }}conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math>» l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique }}est égale à la puissance instantanée développée par les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique est égale à }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> au même instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide à un instant <math>\,t\,</math> quelconque se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}c.-à-d., après intégration, « la conservation de l’énergie mécanique du solide précédemment défini ». === Application au cas d’un solide amorti === {{Al|5}}Parmi les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées à un solide et travaillant, « les plus fréquentes sont dissipatives » <ref> Mais elles peuvent aussi être motrices par exemple, si nous souhaitons que les oscillations d’un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ou d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] perdurent alors qu’existent naturellement des frottements {{Nobr|<math>\,\big(</math>même}} minimes<math>\big)</math>, il est nécessaire de les entretenir à l’aide d’une force extérieure motrice compensant les forces de frottement, cette force motrice étant alors usuellement non conservative tout comme le sont les forces de frottement.</ref> comme les forces de frottement fluide <math>\,\big(</math>ou solide<math>\big)</math> ; {{Al|5}}si les seules forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> travaillant sont des forces de frottement s'exerçant sur un solide en mouvement dans un référentiel galiléen, <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces }}conservatives <ref name="théorème de la puissance mécanique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_la_puissance_mécanique_appliqué_à_un_«_solide_»|théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}s’écrivant «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{frott}}\!(t) < 0\;</math>» dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}l'énergie mécanique de ce solide «<math>\;E_m(t) \searrow\,</math> au sens strict » avec <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}</math> <math>\big(</math>il est qualifié d'« amorti »<math>\big)</math>. ==== Cas particulier du pendule de torsion amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] dont la photographie est dans un « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|paragraphe plus haut dans ce chapitre]] » mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}avec les masselottes remplacées par des ailettes comme présenté dans le schéma de vue de dessus de la « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|remarque du paragraphe précité]] », <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d'un fil et sa conservation en absence de frotemment]] (2^ème exemple) » plus haut dans ce chapitre dans lequel <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> doit être remplacée par <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})</math>.</ref> dans le référentiel <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « }}<math>\big\{</math>avec <math>\,U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> la position d'équilibre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « <math>\color{transparent}{\big\{}</math>avec <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2}\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence }}du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}on en déduit la puissance mécanique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;\dot{E}_m(t) = J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + 2\;C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]\,\dot{\theta}(t)\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}la puissance du couple de frottement fluide linéaire <math>\,\big(</math>seules forces extérieures non conservatives travaillant de moment scalaire par rapport à l'axe de rotation du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion la puissance du couple de frottement fluide linéaire <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>}}<math>\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion" />, <math>\,H\,</math> étant une constante positive <ref> Exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frottent les ailettes.</ref><math>\big)\,</math> <br>{{Al|6}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion la puissance du couple de frottement fluide linéaire }}agissant sur les ailettes du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étant «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] (remarque : actions extérieures exercées sur l'ensemble “ tige et ailettes ”) » plus haut dans ce chapitre.</ref> {{Al|5}}le « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Couple_de_frottement_fluide_linéaire_agissant_sur_le_pendule_par_l’intermédiaire_des_ailettes|couple de frottement fluide linéaire agissant sur le pendule par l'intermédiaire des ailettes]] » dont le moment scalaire relativement à l'axe <math>\;\Delta_C\;</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C} = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» établi au chap.<math>7</math> de la leçon « Mécanique 2 (PCSI) » <math>\;\big[H\;</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frottent les ailettes<math>\big]\;</math> montre qu'il est non conservatif <ref name="raison du caractère non conservatif"> En effet pour que ce couple soit conservatif il faudrait que son moment scalaire ne dépende que de <math>\;\theta\;</math> ou soit constant mais en aucun cas dépendant de <math>\;\dot{\theta}</math>.</ref>, la puissance du couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\;t</math>, selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant «<math>\;E_m(t) = K(t) + U_{\text{tors}}\!\left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2\!(t) + \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2}\!(t) - C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d'un fil et sa conservation en absence de frottement]] » plus haut dans ce chapitre en remplaçant « solide + masselottes » par « solide + ailettes ».</ref> à l'instant <math>\;t\;</math> dans le référentiel d'étude <math>\;\mathcal{R}</math>, <math>\;\big[J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;</math> étant le moment d'inertie du solide « tige + ailettes » relativement à l'axe commun <math>\;\Delta_C\;</math> des deux fils <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /><math>\big]\;</math> on en déduit aisément, dans <math>\;\mathcal{R}\;</math> et à l'instant <math>\;t</math>, la puissance mécanique du solide « tige + ailettes » dans le champ de torsion des fils en formant <math>\;\dot{E}_m(t) = \dfrac{d E_m}{dt}(t)\;</math> puis {{Al|5}}l’application du théorème de la puissance mécanique au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> nous conduit à «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» ou «<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» soit encore, {{Al|5}}en explicitant la dérivée temporelle de l’énergie mécanique puis en divisant par «<math>\;\dot{\theta}\!(t)\;</math>», l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon «Mécanique 2 (PCSI)» à savoir <center>«<math>\;J_{\Delta_C}\!\left( \text{tige} + \text{ailettes} \right)\;\ddot{\theta}(t) + H\;\dot{\theta}(t) + 2\;C\;\theta(t) = 2\;C\;\theta_1\;</math>».</center> ==== Cas particulier du pendule pesant à un degré de liberté amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] à un degré de liberté du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre avec des frottements fluides linéaires comme présenté dans la vue de profil de la remarque du paragraphe précité, {{Al|5}}à la force extérieure «<math>\;m\;\vec{g}\;</math>», conservative, s'exerçant sur le P.P.A. <ref name="P.P.A." /> et « dérivant » de l'énergie potentielle de pesanteur de ce dernier, à savoir «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) =</math> <math>m\;g\;\mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos(\theta) \right]\;</math>» <math>\;\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre stable du solide <math>\;\theta_{\text{éq. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P." /><math>\big)\;</math><ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, il convient d'ajouter {{Al|5}}les forces de frottement fluide linéaire dont le moment scalaire relativement à l'axe <math>\;\Delta_O\;</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t) = -H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» a été établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « Mécanique 2 (PCSI) » <math>\;\big[H\;</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du pendule, de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel il frotte<math>\big]\;</math> montre que ces forces de frottement est un système non conservatif <ref name="raison du caractère non conservatif" />, la puissance de ces forces de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\;t</math>, selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right] =</math> <math>\mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t)\;\dot{\theta}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}l'énergie mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> étant «<math>\;E_m(t) = K(t) + U_{\text{pes}}\!\left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> à l'instant <math>\;t\;</math> dans le référentiel d'étude <math>\;\mathcal{R}</math>, <math>\;\big[J_{\Delta_O}\;</math> étant le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> relativement à son axe <math>\;\Delta_O\;</math> de rotation <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /><math>\big]\;</math> on en déduit aisément, dans <math>\;\mathcal{R}\;</math> et à l'instant <math>\;t</math>, la puissance mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en formant <math>\;\dot{E}_m(t) = \dfrac{d E_m}{dt}(t)\;</math> puis {{Al|5}}l’application du théorème de la puissance mécanique au P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> nous conduit à «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right]\;</math>» ou «<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» soit encore, {{Al|5}}en explicitant la dérivée temporelle de l’énergie mécanique puis en divisant par «<math>\;\dot{\theta}\!(t)\;</math>», l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon «Mécanique 2 (PCSI)» à savoir <center>«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) + H\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>».</center> == Notes et références == <references /> {{Bas de page | idfaculté = physique | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie|Approche énergét. du mouv. d'un sol. en rotat. autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels|Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels]] }} myrzowsik4ej9f8ztab1tzcagazt0c6 987944 987943 2026-10-31T22:42:24Z Phl7605 31541 /* Cas particulier du pendule de torsion amorti par frottement fluide linéaire */ 987944 wikitext text/x-wiki {{Chapitre | idfaculté = physique | numéro = 12 | niveau = 14 | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie/]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels/]] }} <center>Ce chapitre est traité dans le cadre de la dynamique newtonienne avec ajout de quelques éléments de dynamique relativiste.</center> == Théorème de l'énergie cinétique d’un système de matière, cas d’un solide en rotation autour d’un axe fixe == {{Al|5}}Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}est évidemment à connaître comme forme intégrée de la forme locale <ref name="forme intégrée de forme locale"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Lois_de_la_puissance_et_de_l'énergie_cinétiques#Différence_entre_«_forme_locale_de_la_dynamique_»_et_«_forme_intégrée_associée_à_cette_forme_locale_»|différence entre forme locale de la dynamique et forme intégrée associée à cette forme locale]] » du chap.<math>15</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> « théorème de la puissance <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}cinétique d'un système de matière » laquelle est inscrite explicitement dans le programme <math>\;\ldots</math> === Définition du travail du système des forces extérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque"> Par « système de matière quelconque » il faut entendre « système fermé discret de points matériels ou continu de matière » « déformable ou non ».</ref> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1"> A priori <math>\,N\,</math> pourrait être égal à <math>\,1\,</math> mais ce ne serait plus un système de points matériels mais un simple point matériel.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes"> C.-à-d. l’ensemble des paramètres de position et de vitesse de tous les points à l'instant de définition de l'état, tous ces paramètres permettant d’y décrire le système.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> entre }}l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Expression_du_travail_élémentaire_de_la_force_dont_le_point_d’application_subit_le_vecteur_déplacement_élémentaire_correspondant_à_la_durée_élémentaire_de_développement_de_sa_puissance|expression du travail élémentaire de la force dont le point d'application subit le vecteur déplacement élémentaire correspondant à la durée élémentaire de développement de sa puissance]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - bis"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="infiniment proches"> Instants infiniment proches.</ref>, son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité volumique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance volumique <math>\,\mathcal{P}_{\text{vol},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t)</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité surfacique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance surfacique <math>\,\mathcal{P}_{\text{surf},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) =</math>}} <math>\sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité linéique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance linéique <math>\,\mathcal{P}_{\text{lin},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right] dt\;</math>».</ref>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« chaque point <math>\,\color{transparent}{M_i}\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> entre «<math>\;\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\;</math>» }}son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\,</math> étant aussi tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces extérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces extérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" />. === Définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est également présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2"> Pour l'existence de forces intérieures appliquées à un système, <math>\,N\,</math> doit être évidemment <math>\,\geqslant\,</math> à <math>\,2</math>.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes" /> et l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" /> sachant que <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir }}le système des forces intérieures s'exerçant sur le système discret fermé de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le système des forces intérieures }}est défini comme « l'ensemble des forces <math>\,\vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t)\,</math> que chaque point <math>\,M_j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, exerce sur chaque point <math>\,M_i,\;\;i \neq j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math>» <ref name="système de forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Forces,_principe_des_actions_réciproques#Système_des_forces_intérieures_s’exerçant_sur_un_système_de_points_matériels_fermé|système des forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math> entre les instants <math>\;t\;</math> et <math>\;t + dt\;</math> selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i} \right]\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - ter"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> dans lequel, chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \mu(M')\;d \mathcal{V}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bivolumique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}}{d \mathcal{V}_{M'}\;d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \sigma(M')\;d S_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\;</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bisurfacique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}}{d S_{M'}\;d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \lambda(M')\;d \mathit{l}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\;\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bilinéique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}}{d \mathit{l}_{M'}\;d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace dt\;</math>».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces intérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces intérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière" />. {{Al|5}}<u>Remarque 1</u> : Le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures }}peut aussi être défini à partir de la puissance instantanée développée par les forces intérieures s’exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="définition de la puissance développée par les forces intérieures"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Définition_2|définition]] (de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures peut aussi être défini }}selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - tetra"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : }}le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}s'obtenant en ajoutant tous les travaux élémentaires de <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}peut se calculer à partir de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> peut se calculer }}par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>». {{Al|5}}<u>Remarque 2</u> : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math><ref name="définition du référentiel Rj"> Le référentiel «<math>\;\mathcal{R}_j\;</math>» est le référentiel lié à <math>\,M_j\,</math> en translation par rapport au référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#cite_note-puissance_des_forces_intérieures_s'exerçant_sur_système_continu_de_matière_-_ter-55|⁵⁵]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> dans le référentiel <math>\,\color{transparent}{\mathcal{R}}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}_{\text{int}}(t)}</math> }}<math>= \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Autres_expressions_équivalentes|autres expressions équivalentes]] de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj"> Le point <math>\,M_i\,</math> décrivant dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_j</math> <math>\,\big[</math>lié à <math>\,M_j\,</math> et en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\big]\,</math> une trajectoire particulière <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}\;</math> entre les deux instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t)\big]\,</math> étant tangent à <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}</math>.</ref> ou <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures «}}<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right]\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : }}de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière" />{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" />{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" />. {{Al|5}}<u>Remarque 3</u> : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nulle <ref name="puissance des forces intérieures en général non nulle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (1^ère conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu"> Système discret de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique"> Le système se comporte donc comme un solide au sens de la mécanique.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures nulle pour un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (3^ème conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = 0\;\;\forall\;t\,</math> pour <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = 0\;\;\forall\;\left[ t\,,\,t + dt \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> le devient }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = 0\;\;\forall\;\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> ». === Théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Partant du théorème de la puissance cinétique appliqué, à l'instant <math>\,t</math>, à un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Énoncé|énoncé]] du théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> dans lequel <math>\,\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math> est la puissance cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{ext}}(t)\,</math> la puissance développée par les forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\,</math> celle développée par les forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la même date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on multiplie par <math>\,dt\,</math> pour obtenir la forme élémentaire du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir la forme élémentaire }}entre «<math>\;t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\;</math>» où <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> est la variation élémentaire d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{ext}}\,</math> le travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{int}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur le même <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on intègre entre <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique }}entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec <math>\,\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\,</math> variation d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\,</math> }}sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> le travail des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> le travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> celui des forces intérieures }}sur le même <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>. {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> étant nul quel que soit le mouvement du système » <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Définition_du_travail_du_système_des_forces_intérieures_appliquées_à_un_«_système_de_matière_»_entre_un_état_initial_et_un_état_final|définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un système de matière entre un état initial et un état final]] (remarque 3) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul }}<math>\Rightarrow</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide sous sa forme élémentaire ou <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide }}sur une durée finie : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière en translation » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière"> Système fermé discret fermé de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> en translation » <ref name="système en translation"> Un « système de matière en translation » ne se déformant pas peut aussi être qualifié de « solide » au sens de la mécanique.</ref>, tous les points ont le même vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> égal à celui du C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> <math>\,G\,</math> du système, d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\!G}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <ref name="signification du travail élémentaire développé par les forces extérieures appliquées à un système en translation"> Dans cette 3^ème expression «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» est aussi « le travail élémentaire qui serait développé, sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\,t + dt \right],</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>, par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans <math>\,\mathcal{R}\;</math>» <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», ce dernier s'obtenant par application du théorème du mouvement du C.D.I. <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Principe_fondamental_de_la_dynamique_et_théorème_de_la_résultante_cinétique#Énoncé_du_théorème_(dynamique_newtonienne)|énoncé du théorème (dynamique newtonienne)]] du mouvement du C.D.I. d'un système » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> correspondant aussi à l'application de la r.f.d.n. <math>\,\big(</math>relation fondamentale de la dynamique newtonienne<math>\big)\,</math> au point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>» sur lequel s'exercerait la résultante dynamique<math>\big\}</math>.</ref> dans laquelle «<math>\;\vec{F}_{\text{ext}}(t)\;</math> est la résultante <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}«}}dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» <ref> Voir les paragraphes « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_en_translation_»|cas d'un système de matière en translation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » et « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissancce développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces intérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{int},\,\text{syst. en transl.}} = 0\;</math>» <ref name="système en translation" />{{,}} <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>de la variation élémentaire de l'énergie cinétique du système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en transl.}}\;</math>» avec «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="signification de l'énergie cinétique d'un système en translation"> Dans cette 2^ème expression «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» est aussi « l'énergie cinétique newtonienne du point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans {{Nobr|<math>\,\mathcal{R}\,</math>»}} <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», tous les points du système en translation ayant même vitesse que le C.D.I. <math>\,G\big\}</math>.</ref> l'énergie cinétique <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, dans le cadre de la cinétique newtonienne <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en translation"> Voir le paragraphe « énergie cinétique dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Cas_d'un_système_en_translation|cas d'un système en translation]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique }}appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" />{{, }} <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque dans un référentiel galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> nous obtenons : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un référentiel <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière en translation <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> étant le C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> et <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =}</math> }}la résultante dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\,</math> ou <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste"> Applicable sous cette forme dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste.</ref> avec <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="système fermé de matière" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système en translation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =</math> <math>K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail effectué par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail effectué par la résultante dynamique }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <br>{{Al|208}}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Ce théorème <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais il doit bien sûr être connu <ref> Sans doute ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. car on considère usuellement un système de matière en translation comme un point matériel <math>\,\big(</math>le C.D.I. <math>\,G\,</math> du système<math>\big)\,</math> sur lequel s'exerce la résultante dynamique du système et, selon ce point de vue, le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un système de matière en translation n'est rien d'autre que le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un point matériel, lequel est, quant à lui, au programme <math>\;\ldots</math></ref>. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}<u>Préliminaire</u> : Un « système <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » peut, a priori, se déformer <ref name="système en rotation autour d'un axe"> Par exemple, en se dilatant, c.-à-d. que chaque point du système, en plus de sa rotation autour d'un axe fixe, s'éloigne radialement de cet axe <math>\,\big(</math>la vitesse d'éloignement pouvant être différente d'un point à un autre<math>\big)\,</math> mais dans ce cas il ne s'agit pas d'une rotation « pure » <math>\;\ldots</math> <br>{{Al|3}}Pour maintenir une même vitesse angulaire à un instant <math>\,t\,</math> pour tous les points d'un « système déformable », il faut que le mouvement orthoradial de chacun des points soit corrélé au mouvement radial correspondant, avec absence de mouvement axial, c.-à-d. que, pour deux points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> tels que la droite <math>\,M_iM_j\,</math> recoupe l'axe <math>\,\Delta\,</math> perpendiculairement en <math>\,H_{i,\,j}</math>, <math>\,\big[</math>les points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> ayant donc même abscisse angulaire <math>\,\theta_{i,\,j}(t)\big]\,</math> on ait <math>\,\dot{\theta}_{i,\,j}(t) = \overline{\Omega}(t)</math> <math>\,\big[</math>donc indépendant de <math>\,\left( i\,,\, j \right)\big]\,</math> pour tout instant <math>\,t\,</math> et pour tout couple <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> dont les éléments ont même abscisse angulaire, ces conditions étant très contraignantes sont quasiment jamais réalisées naturellement <math>\;\ldots</math></ref>, toutefois, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Préliminaire : un « système <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>fermé<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » }}il est, en pratique, indéformable et est alors qualifié de « solide » au sens de la mécanique ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Préliminaire : }}l’exposé ci-dessous s'applique à un système discret <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de points matériels ou un système continu <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}<u>Exposé</u> : Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière" /> indéformable, en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe <math>\,\Delta</math>, fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen », <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}tous les points ont le même vecteur rotation instantanée <math>\,\vec{\Omega}(t) = \overline{\Omega}(t)\;\vec{u}_{\Delta}\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\big[\vec{u}_{\Delta}\,</math> étant le vecteur unitaire orientant l'axe de rotation <math>\,\Delta\,</math> et <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\big[}</math>}}autour de cet axe de rotation <math>\,\Delta\big]\,</math> d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe"> Expression ne nécessitant pas que l'axe <math>\,\Delta\,</math> soit fixe, la fixité de l'axe dans un référentiel intervenant quand ce dernier est galiléen et quand on utilise l'un des théorèmes fondamentaux de la dynamique de rotation des systèmes <math>\,\big\{</math>par exemple le théorème de l'énergie cinétique établi dans ce paragraphe mais le traavail élémentaire déveeloppé par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» ne nécessite pas que <math>\,\Delta\,</math> soit fixe<math>\big\}</math>.</ref>{{,}} <ref name="travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur un système en rotation"> Voir le paragraphe « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> {{Nobr|«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)</math>}} <math>= \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;</math>» et le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\delta W\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right] = \mathcal{P}\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right]\;dt\;</math>» puis, en faisant la somme membre à membre de façon à définir le travail élémentaire du sytème des forces extérieures s'exerçant sur le système en rotation «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)\;dt\;</math>».</ref> où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> est le moment <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» ou, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>du travail élémentaire }}avec «<math>\;\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta\;</math>» dans lequel <math>\,\theta(t)\,</math> est l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, la réécriture <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>,«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>de la variation de l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}}\;</math>» avec, l'énergie cinétique, à l'instant <math>\,t</math>, de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le cadre de la cinétique newtonienne «<math>\;K_{\text{syst. en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en rotation autour d'un axe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d’un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d’un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> avec «<math>\;J_\Delta\,</math> le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}relativement à <math>\,\Delta\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe"> Voir la notion de moment d'inertie d'un système discret ou continu dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Application_à_un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe#Application_au_cas_d'un_«_système_fermé_de_matière_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe_«_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|application d'un système fermé de matière en rotation autour d'un axe Δ fixe quelconque dans un référentiel d'étuide galiléen]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> d'où, en cinétique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> appliqué à un solide <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_solide_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d'un système }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> avec «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» et «<math>\;\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <math>\,\overline{\Omega}(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}<math>= \dot{\theta}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> encore égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>avec <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> et <math>\,\theta(t)\,</math> l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" />, sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail du moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail du }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[\theta(t)\,</math> étant l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation est égale au travail du «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[\theta}\,</math> étant l'abscisse angulaire }}à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> étant le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = 2\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)}\;</math>» <math>\,\big[</math>}}<math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] <math>\,\big(</math>photographié ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_(non_amorti)|mise en équation différentielle du mouvement du pendule de torsion (non amorti)]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Théorème_de_la_puissance_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_autour_d'un_axe_Δ_fixe_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe dans un référentiel d'étude galiléen]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. {{Al|5}}Ci-contre le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec deux fils de torsion identiques de même constante de torsion «<math>\;C\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec }}positions de masselottes identiques <math>\,\big(</math>sauf pour la couleur<math>\big)\,</math> de part et d'autre du point <math>\,C\,</math><ref name="distinction entre point d'attache des fils sur la tige et constante de torsion des fils"> On accepte la même notation pour le point d'attache des deux fils sur la tige et la constante de torsion de ces derniers tant qu'il n'y a pas d'ambiguïté <math>\,\big(</math>ce qui ne devrait jamais arriver compte-tenu du fait que ces deux grandeurs sont de nature différente<math>\big)</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec positions de masselottes identiques }}<math>\,\big(C\,</math> point d’attache des deux fils de torsion sur la tige<math>\big)</math> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre <math>\,\big(</math>en absence de masselottes<math>\big)\,</math> diffère du « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] » de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici l'extrémité supérieure <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil de torsion supérieur est mobile au lieu d'être fixe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur étant dans les deux fixe et <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici la torsion initiale est fournie par rotation propre de <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> d'un angle «<math>\;2\,\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>repéré sur le cercle gradué lié à <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}</math>, position de référence du cercle gradué<math>\big)\,</math> <math>\Rightarrow</math> en pratique, après quelques oscillations, la tige <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}acquiert la position d'équilibre repérée par l'angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>voir vérification ci-dessous<math>\big)\,</math> alors que <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] la torsion initiale est fournie par rotation de la tige d'un angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>également repéré <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>dans le pendule du chap.7 }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}\big)</math>, la position d'équilibre de la tige étant repérée par l'angle nul ; {{Al|5}}<u>vérification de la position d'équilibre de la tige dans le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}orientant les deux fils de torsion du bas vers le haut, quand la tige acquiert la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion supérieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche"> Une hélice est « droite » si le point tourne sur la gauche <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique direct ou encore dans le sens antihoraire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée et <br>{{Al|31}}elle est « gauche » si le point tourne sur la droite <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique indirect ou encore dans le sens horaire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée <br>{{Al|3}}<math>\,\big[</math>revoir aussi la distinction « hélices gauche ou droite » dans le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Mouvement_de_particules_chargées_dans_des_champs_électrique_et_magnétique_:_Cas_particulier_d'un_champ_magnétostatique_uniforme#Nature_hélicoïdale_uniforme_du_mouvement_de_la_particule|nature hélicoïdale uniforme du mouvement de la particule]] » du chap.<math>24</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> d'un angle «<math>\;\theta_1 - 2\;\theta_1 = -\theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil"> L'angle de torsion du fil qui intervient dans le vecteur moment du couple de torsion est l'angle que fait l'extrémité mobile relativement à l'extrémité maintenue fixe même si cette extrémité est fixée avec torsion initiale comme c'est le cas pour le fil supérieur <math>\,\big\{</math>on peut vérifier que cette définition correspond bien au schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » car {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{A_0B_0}\;</math>»}} est lié à l'extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil supérieur et «<math>\;\overrightarrow{AB}\;</math>» à l’extrémité mobile <math>\,C\,</math> et il en est de même pour l'éventuel fil de torsion inférieur<math>\big\}</math>.</ref> par rapport à son extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion supérieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} = -C \left( -\theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion inférieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche" /> d’un angle «<math>\;\theta_1 - 0 = \theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil" /> par rapport à l’extrémité <math>\;O_{\text{inf}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion inférieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = -C \left( \theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = -C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur la tige vérifiant «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} + \vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = \vec{0}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur }}la tige est effectivement en équilibre dans cette position <math>\;\ldots</math> {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <math>\,\big\{</math>ensemble solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC"> L'axe <math>\,\Delta_C\,</math> est le support des fils de torsion.</ref> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemb}}le solide étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles"> Repérée par rapport à la position de l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemble solide étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des masselottes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des masselottes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des masselottes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur"> L'angle de torsion du fil supérieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 2\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation"> Il s'agit de l'application de la puissance instantanée développée par un système de forces extérieures sur un solide en rotation autour d'un axe fixe <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d'un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> quand le système de forces extérieures est équivalent à un couple <math>\,\big[</math>c.-à-d. un système dont la résultante est nulle et dont le moment résultant scalaire relativement à l'axe de rotation définit le moment scalaire du couple<math>\big]</math>.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur"> L'angle de torsion du fil inférieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 0 = \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cin%C3%A9tique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d'un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;</math> est le moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et masselottes » en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_C\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre"> Ce qui suppose que <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> est non identiquement nulle <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\theta(t)\,</math> n'est pas une constante c.-à-d. que le solide n'est pas à sa position d'équilibre.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à droite «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta_1\;</math>», équation différentielle linéaire <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants sans terme du 1^er ordre hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_non_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition non énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] », la présence d'un 2^nd membre constant signifiant que le paramètre caractérisant l'oscillateur dans l'espace n'est pas nul à l'équilibre.</ref> de rotation ; {{Al|5}}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Conséquence_«_le_pendule_de_torsion_(non_amorti)_est_un_oscillateur_harmonique_non_amorti_de_rotation_»|conséquence : le pendule de torsion (non amorti) est un oscillateur harmonique non amorti de rotation]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » ; [[File:Pendule de torsion amorti - vue de dessus.png|thumb|300px|Vue de dessus d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti par substitution d'ailettes planes aux masselottes fixées sur la tige <math>\,\big(</math>les fils de torsion supérieur et inférieur <math>\,\perp\,</math> au plan de la figure ne peuvent y être représentés<math>\big)</math>]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> du }}<math>\big(</math>voir vue de dessus partielle représentée ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre étant écarté initialement comme celui de début de paragraphe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, le pendule ci-contre étant écarté initialement }}la tige acquiert donc une position d'équilibre repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}l'ensemble « tige et ailettes » étant un solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC" /> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant }}le solide est, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant le solide est, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}les actions extérieures sont <math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des ailettes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{ailettte}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des ailettes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des ailettes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{ailette}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu dans lequel se déplace le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] exercent sur les ailettes, modélisées par un <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> }}couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Couple_de_frottement_fluide_linéaire_agissant_sur_le_pendule_par_l’intermédiaire_des_ailettes|couple de frottement fluide linéaire agissant sur le pendule par l'intermédiaire des ailettes]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple }}<math>\big[H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}et du fluide sur lequel frottent les ailettes<math>\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide la puissance instantanée }}selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\,</math> est le moment d'inertie du solide « tige + ailettes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et ailettes » en rotation autour de <math>\,\Delta_C\,</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t) - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t) - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1 - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étudié «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta_1\;</math>», équation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}différentielle linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique" /> de rotation ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Loi_horaire_de_position_angulaire_du_pendule_de_torsion_amorti|loi horaire de position angulaire du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ». == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule pesant non amorti à un degré de liberté - forces extérieures.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté <math>\,\big(</math>schématisé ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_non_amorti_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_du_moment_cinétique_scalaire|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant non amorti (à un degré de liberté) par application du théorème du moment cinétique scalaire]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />. {{Al|5}}Ci-contre schéma de face du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] idéale <ref name="liaison idéale"> C.-à-d. dans laquelle on peut négliger les frottements solides.</ref> du solide en rotation autour de l’axe horizontal <math>\,\Delta_O\;</math><ref name="liaison pivot du pendule"> Pour plus de détails voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Présentation_du_pendule_pesant_(non_amorti)_«_P.P.(N.A.)_»|présentation du pendule pesant (non amorti) P.P.(N.A.)]] (liaison pivot avec le point O) » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Non Amorti.</ref> à un degré de liberté ayant un mouvement de rotation imposé par la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] du solide avec l'axe <math>\,\Delta_O</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté }}son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,O</math>, d'axe <math>\,\Delta_O\,</math> orienté par le vecteur unitaire «<math>\;\vec{u}_{\Delta_O}\;</math>» et <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,\color{transparent}{O}</math>, }}de rayon «<math>\;\mathfrak{a}\;</math>» avec, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. }}<math>G\,</math> repéré par son abscisse angulaire «<math>\;\theta_G(t) = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\overrightarrow{OG}(t) \right\rbrace} = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\vec{u}_r(t) \right\rbrace}\;</math>» <ref name="noté theta"> Noté «<math>\;\theta(t)\;</math>» par la suite en absence d'ambiguïté.</ref> ; {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = \left[ \overrightarrow{OG}(t) \wedge m\;\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_O} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids"> Le moment vectoriel du poids par rapport à <math>\,O\,</math> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)\;</math>» a établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_liaison_sphérique_et_avec_les_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b),_établissement_de_la_nature_plane_du_mouvement_du_C.D.I._G_du_P.P.(N.A.)|dans le cas d'une liaison sphérique et avec les C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), établissement de la nature plane du mouvement du C.D.I. G du P.P.(N.A.)]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] », soit «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\varphi_G}(t)\;</math>» avec <math>\,\vec{u}_{\varphi_G}\,</math> s'identifiant à <math>\,\vec{u}_{\Delta_O}</math>. <br>{{Al|3}}On pouvait aussi déterminer directement le moment scalaire du poids, le schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_«_liaison_pivot_»_ou_d’une_«_liaison_sphérique_avec_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b)_»,_nouveau_repérage_adapté_à_la_nature_rotatoire_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_à_un_degré_de_liberté|dans le cas d'une liaison pivot ou d'une liaison sphérique avec C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), nouveau repérage adapté à la nature rotatoire du mouvement du P.P.(N.A.) à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » étant fait avec le paramètre de position angulaire <math>\,\theta > 0</math>, on observe que le poids tend à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,-\,</math> avec un bras de levier <math>\,\big(</math>distance orthogonale séparant l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du support de <math>\,m\;\vec{g}\big)\,</math> égal à <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où, dans le cas où <math>\,\theta\,</math> est <math>\,> 0</math>, {{Nobr|«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)</math>}} <math>= - \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>» <math>\,\Big\{</math>le résultat est indépendant du signe de <math>\,\theta\,</math> mais si le schéma était fait avec <math>\,\theta < 0</math>, on observerait que le poids tendrait à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,+\,</math> avec un bras de levier <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = + \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = m\;g\;\left[ -\mathfrak{a}\; \sin(\theta) \right] = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>», soit effectivement le même résultat <math>\,\big[</math>avec toutefois une possibilité d'erreur si on oubliait que <math>\,\theta < 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert = -\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\big]\Big\}</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_particulier_où_M_est_en_mouvement_circulaire_d'axe_Δ_et_de_vitesse_angulaire_instantanée_Ω(t)|cas particulier où M est en mouvement circulaire d'axe Δ et de vitesse angulaire instantanée Ω(t)]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> de la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I."> Conditions Initiales.</ref> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O"> On a établi dans la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#cite_note-réduction_à_deux_composantes_de_la_réaction_dans_ces_C.I.-18|¹⁸]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » que la réaction du point <math>\,O\,</math> dans l'hypothèse d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] sur le pendule lancé dans les C.I. <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\,</math> ou <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\,</math> s'écrirait <math>\,\vec{R}(t) =</math> <math>R_{\rho_G}(t)\;\vec{u}_{\rho_G}(t) + R_z(t)\;\vec{u}_z</math>, c.-à-d. que la réaction serait dans le plan vertical de lancement soit encore «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» ; <br>{{Al|3}}on établit de même <math>\,\big[</math>sans que cela ait été exposé dans le chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> que la réaction de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le pendule quels que soient les C.I. de lancement compatibles avec la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] s'écrit «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>».</ref> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul"> En effet la force étant <math>\,\perp\,</math> à l'axe par rapport auquel son moment scalaire est évalué est de bras de levier nul.</ref> auquel s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe"> Le couple étant de moment vectoriel <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta_O</math>.</ref> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée à la date <math>\,t\,</math> par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée développée à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|7}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}sans terme du 1^er ordre ; {{Al|5}}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique"> On appelle « [[w:Solution_de_forme_fermée|solution analytique]] » d'une équation différentielle, une expression mathématique <math>\,\big(</math>souvent dite « formule explicite »<math>\big)\,</math> pouvant s'obtenir par une combinaison d'opérations et de [[w:Fonction_de_référence|fonctions de référence]] <math>\,\big(</math>c.-à-d. fonctions affines, puissances, trigonométriques et exponentielles ainsi que leurs fonctions inverses sur un domaine de définition restreint pour lequel il y a bijection et même certaines solutions d'équations différentielles dites de référence<math>\big)</math>, les opérations étant l'addition, la soustraction, la multiplication, la division et l'extraction de racines.</ref> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’élongations_angulaires_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'élongations angulaires non petites]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il est nécessaire de procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="solution analytique dans le cas d'élongations petites"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Cas_particulier_des_«_petites_élongations_angulaires_»,_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_=_oscillateur_harmonique_(non_amorti)_approché_de_rotation,_période_des_«_petites_oscillations_»|cas particulier des petites élongations angulaires, pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) oscillateur harmonique (non amorti) approché de rotation, période des petites oscillations]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. [[File:Pendule pesant amorti à un degré de liberté - forces extérieures - bis.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures, <math>\,I\,</math> étant le point où la résultante des forces de frottement fluide peut être appliquée]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti <math>\,\big(</math>voir coupe partielle représentée ci-contre<math>\big)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire" /> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I." /> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O" /> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul" /> où s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe" /> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu où se déplace le [[w:Pendule_pesant|pendule]] exercent sur ce dernier, modélisées par <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}un couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_O}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti" />{{,}} <ref name="définition de H"> <math>\,H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]], de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frotte le solide.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Amorti.</ref> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0 - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right] - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_O}}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}avec terme linéaire du 1^er ordre ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique" /> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’amplitudes_initiales_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'amplitudes initiales non petites]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il faut procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique - bis"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » nécessitant néanmoins d'ajouter le terme d'amortissement <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A." />. == « En complément », caractère conservatif du couple de torsion, énergie potentielle de torsion et conservation de l’énergie mécanique du pendule de torsion (non amorti) dans le champ de torsion du fil == {{Al|5}}Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » ne sont pas explicités dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » }}il me semble souhaitable de le retenir <math>\,\big(</math>et bien sûr d’être capable de le retrouver<math>\big)</math>. === Caractère conservatif du couple de torsion === {{Al|5}}Le travail élémentaire d’un couple de torsion s’exerçant sur un solide, de vecteur moment «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t) = -C\;\alpha(t)\;\vec{u}_\Delta\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Expression_du_vecteur_moment_du_couple_de_torsion_exercé_par_le_fil_en_fonction_de_l'angle_de_torsion_«_α(t)_»,_notion_de_constante_de_torsion_«_C_»_du_fil_de_torsion|expression du vecteur moment du couple de torsion exercé par le fil de torsion α(t), notion de constante de torsion C du fil de torsion]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> lors d’une torsion élémentaire «<math>\;d \alpha\;</math>» <ref name="définition de Delta et alpha sur le fil de torsion"> <math>\,\Delta\,</math> étant la direction du fil de torsion orienté par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et «<math>\;\alpha\;</math>» l'angle de torsion algébrisé, défini au niveau de la liaison au solide dans le plan <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta\,</math> et orienté par <math>\,\vec{u}_\Delta</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion }}étant défini selon «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>», <math>\,\big[\overline{\Omega}(t)\,</math> étant la vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt}\;</math>», <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \alpha\;</math>»<math>\big]\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> soit finalement <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon }}«<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -C\;\alpha\; d \alpha\;</math>» correspondant à une différentielle de fonction <math>\Rightarrow</math> le <u>caractère conservatif du couple de torsion</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple"> Pour montrer qu’une force est conservative, on évalue son travail élémentaire en prenant un vecteur déplacement élémentaire quelconque <math>\,\overrightarrow{dM}\,</math> à partir du point d'application <math>\,M\,</math> de la force <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#2ème_définition_(équivalente)_d'une_force_«_conservative_»|2^ème définition (équivalente) d'une force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> ; <br>{{Al|3}}lorsqu'il s’agit d'un couple de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, il faut évaluer son travail élémentaire en envisageant une rotation élémentaire quelconque autour de n'importe quelle direction, le couple est alors conservatif si ce travail élémentaire est une différentielle de fonction mais <br>{{Al|3}}{{Transparent|lorsqu'il s'agit d'un couple }}dans le cas d’un couple de torsion de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, la seule direction autour de laquelle peut s’effectuer une rotation élémentaire est celle du fil c.-à-d. celle de <math>\,\vec{\Gamma}\,</math> et par suite la seule condition pour que le couple de torsion soit conservatif est que son travail élémentaire en considérant une rotation élémentaire autour de la direction du fil de torsion soit une différentielle de fonction ou encore que « le moment scalaire du couple de torsion par rapport au fil ne dépende que de l'angle de torsion <math>\,\alpha\;</math>» C.Q.E.R. <math>\,\big(</math>Ce Qui Est Réalisé<math>\big)</math>.</ref>. === Énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion === {{Al|5}}L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,U_{\text{tors}}\,</math> dont « dérive » le couple de torsion de vecteur moment <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}est définie par «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#1ère_définition_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|1^ère définition de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> c.-à-d. «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(\alpha)\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\,</math> ou <math>\,-C\;\alpha\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <math>\Leftrightarrow</math> «<math>\;\dfrac{dU_{\text{tors}}}{d \alpha} = C\;\alpha\;</math>» soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}en intégrant «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2 + cste\;</math>» ; choisissant la référence de l’énergie potentielle de torsion <math>\;U_{\text{tors}}(\alpha)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle"> C.-à-d. l'endroit où l'énergie potentielle est choisie nulle.</ref> <br>{{Al|7}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> en intégrant «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\alpha) = 2\; C\;\alpha^2 + cste}\;</math>» ; choisissant la référence }}quand le fil n’est pas tordu c.-à-d. <math>\,U_{\text{tors}}(0) = 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = 0</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}l'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d’un fil et sa conservation en absence de frottement === [[File:Pendule de torsion sans masselottes - actions exercées.png|thumb|500px|Schéma d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] représenté sans masselottes additives et avec fil inférieur sans torsion avec ajout des actions exercées sur la tige à l'instant <math>\;t</math>]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec un seul fil de torsion, l'autre fil étant sans torsion <math>\,\big(</math>voir schéma ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec un seul fil de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}la seule action extérieure de moment scalaire non nul par rapport à la direction <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}commune du fil de torsion et du fil sans torsion <math>\;\big(</math>orientée par le vecteur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> étant le couple « conservatif » de torsion <ref name="conservativité du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Caractère_conservatif_du_couple_de_torsion|caractère conservatif du couple de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}moment vectoriel «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}} = -C\;\alpha\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion /> auquel on associe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie potentielle de torsion du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre valant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;U_{\text{tors}}(t) =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion énergie potentielle de torsion }}<math>\,\dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_torsion_du_solide_relié_au_fil_de_torsion|énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}son énergie cinétique à la date <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{pend. tors.}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique }}<math>J_{CO_{\text{sup}}}\,</math> est le moment d'inertie du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] relativement à la <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique <math>\color{transparent}{J_{CO_{\text{sup}}}}\,</math> est }}direction du fil de torsion et du fil sans torsion <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à l'instant <math>\,t\,</math> selon «<math>\;E_m(t) = K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Propriétés_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|propriétés de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] (2^ème propriété) » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha_0 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\alpha(0) = \alpha_0\;</math> et <math>\,\dot{\alpha}(0) = 0\;</math>». [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]]]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige <math>\,\big(</math>voir photographie ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec deux fils de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}il y a deux actions extérieures s'exerçant sur le solide « tige + masselottes » de moment scalaire non nul par rapport à <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}la direction commune <math>\,\Delta_C\,</math> des deux fils de torsion <math>\,\big(</math>orientée par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}élémentaire du solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}prouve le <u>caractère conservatif du couple de torsion du fil supérieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}supérieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = -d U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta = -d U_{\text{tors. sup.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. sup.}}}{d \theta} = C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\,</math> qui s'intègre en <math>\,U_{\text{tors. sup.}}</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,= \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> et, en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. sup.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du solide à l'équilibre » c.-à-d. <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre"> Revoir l'explication rappelée dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans le chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil supérieur du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta_1 - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_1 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion"> Symboliquement l'énergie potentielle d'un solide dans le champ de torsion d'un fil de torsion s'obtient, à une constante additive près, par la moitié du produit de la constante de torsion du fil et du carré de l'angle de torsion, à l'instant <math>\;t</math>, du fil au point d'attache du solide.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation élémentaire du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\; \theta(t)\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et prouve le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<u>caractère conservatif du couple de torsion du fil inférieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}inférieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = -d U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\;\theta\;d \theta = -d U_{\text{tors. inf.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. inf.}}}{d \theta} = C\; \theta\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{tors. inf.}} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} + cste_2\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. inf.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position du solide à l'équilibre » c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil inférieur du solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2} + cste_2 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_2 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}finalement l'énergie potentielle globale de torsion du solide « tige + masselottes » <math>\,\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale }}s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = U_{\text{tors. sup.}}(\theta) + U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» ou, en simplifiant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale s'écrit }}«<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2\;</math>» <ref> En effet <math>\,\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + 2\;C\; \theta_1^{\,2} + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + C\; \theta_1^{\,2} = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2</math>.</ref>{{,}} <ref> Cette énergie potentielle de torsion du solide « tige + masselottes » est la même que celle que l'on obtiendrait avec un seul fil de torsion de constante de torsion <math>\,2\,C</math>, l'autre fil étant sans torsion avec la référence en la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>.</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule ci-dessus étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «<math>\;\color{transparent}{K_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#%Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torion par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique de l'ensemble tige + masselottes) » plus haut dans ce chapitre.</ref> avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule }}<math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion des deux fils définie, à l'instant <math>\,t\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie mécanique }}«<math>\;E_m(t) = K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}\! \left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\alpha\;</math>» dans le 1^er exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] ou <br>{{Al|57}}celui «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta - \theta_1 \right]^2 \,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du 2^ème exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|même]] paragraphe <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}étant parabolique, nous retrouvons la <u>2^ème définition d’un oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math>de rotation<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_(équivalente)_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition (équivalente) énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. <br>{{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> de son mouvement dans le 2^ème exemple du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}«<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2 = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>», <br>{{Al|58}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}les C.I. <ref name="C.I." /> étant «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}est donc une <u>ellipse décrite dans le sens horaire</u> <ref name="portrait de phase d'un socillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Tracé_du_portrait_de_phase_de_la_charge_du_condensateur_d'un_«_R_L_C_série_»_soumis_à_un_échelon_de_tension_suivant_le_cœfficient_d'amortissement|propriétés des portraits de phase de la charge du condensateur d'un RLC série soumis à un échelon de tension suivant le cœfficient d'amortissement]] (cas d'un circuit oscillant non amorti en vert) » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. == Conservation de l’énergie mécanique du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) dans le champ de pesanteur uniforme == === Énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant === {{Al|5}}Dans le cas d'un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref><math>\big)</math>, le poids du solide étant la seule action extérieure travaillant et ce dernier étant conservatif <ref name="poids d'un objet conservatif"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Établissement_du_caractère_«_conservatif_»_du_poids_d'un_point_matériel_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|établissement du caractère conservatif du poids d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, }}on lui associe l'énergie potentielle de pesanteur «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta)\;</math>» <ref name="énergie potentielle de pesanteur"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#«_Énergie_potentielle_de_pesanteur_d'un_point_matériel_»_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|énergie potentielle de pesanteur d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> déterminée en intégrant «<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = -dU_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> avec <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)\,</math> travail élémentaire du poids lors d'une rotation élémentaire d'angle <math>\,d \theta = \dot{\theta}(t)\;dt\,</math> autour de <math>\,\Delta_O\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe «<math>\;\color{transparent}{\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)}\,</math>}}<math>= \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;dt = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)\;dt = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;d \theta\;</math>» <ref name="travail élémentaire du poids du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (actions extérieures exercées sur le solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> d'où <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}<math>\,-dU_{\text{pes}} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\;d \theta\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{pes}}}{d \theta}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\,</math> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right) + cste\;</math>» <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}soit, en choisissant comme référence de l'énergie potentielle <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> « la position <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}d'équilibre stable de ce dernier <ref name="équilibre stable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessous de ce dernier.</ref> <math>\,\theta_{\text{éq. stable}} = 0\;</math>» d'où <math>\,U_{\text{pes}}(0) = 0\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}<math>\Rightarrow</math> <math>\,0 = -m\;g\;\mathfrak{a} + cste\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = m\;g\;\mathfrak{a}\,</math> d'où l'expression de <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}l'énergie potentielle de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> se réécrit selon <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta \right) \right]\;</math>» <ref> Pour trouver l'expression de l'énergie potentielle de pesanteur on peut aussi utiliser <math>\,\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = m\;g\;dz_G = -dU_{\text{pes}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{pes}} = -m\;g\;z_G + cste\,</math> sachant que <math>\,z_G = \mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right)\,</math> avec pour position d'équilibre stable <math>\,z_{G,\,\text{éq. stable}} = \mathfrak{a}</math> <math>\;\ldots</math></ref> <math>\,\big(</math>référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : la position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement === {{Al|5}}Considérant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A." /><math>\big)</math>, l'énergie potentielle de pesanteur étant «<math>\;U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right] = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\,</math> avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> <math>\,\theta_{\text{équi. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P."/> » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> et <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie cinétique du solide constituant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique du solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> dans laquelle <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie cinétique}}«<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du solide par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie mécanique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> dans le champ de pesanteur «<math>\;E_m\!(t) = K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) + U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right]</math> <br>{{Al|23}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie mécanique du P.P.N.A. dans le champ de pesanteur «<math>\;\color{transparent}{E_m\!(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{P.P.N.A.}}(t) + U_{\text{pes}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P..P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\,\left[ 1 - \cos(\theta) \right]\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}n'étant pas parabolique <math>\,\big(</math>mais sinusoïdal<math>\big)</math>, nous pouvons affirmer que <u>le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> n'est pas un oscillateur harmonique</u> <math>\,\big(</math>quand il est en situation d'osciller<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <math>\blacktriangleright\;</math>« oscillatoire pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'énergie mécanique initiale du P.P.N.A. vaut «<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^2 + m\;g\; \mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta_0 \right) \right]\;</math>».</ref> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. est }}<math>\blacktriangleright\;</math>« révolutive pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="étude du mouvement d'un P.P.N.A. par diagramme d'énergies"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Étude_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_dans_le_cas_général_des_élongations_angulaires_non_petites_par_diagramme_énergétique|étude du mouvement du P.P.(N.A.) dans le cas général des élongations angulaires non petites par diagramme énergétique]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}de démontrer, avec utilisation simultanée de l'intégrale 1^ère énergétique <ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'intégrale 1^ère énergétique du P.P.N.A. s'écrit «<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^{\,2} + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet de démontrer, }}la nature « périodique <math>\,\big(</math>oscillatoire ou révolutive<math>\big)\;</math>» ainsi que <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}d’établir l’expression de la période sous forme intégrale <math>\ldots</math> {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Les [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d’un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ayant pour équation implicite l’intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\;</math><ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" /> de son mouvement lequel dépend de la valeur de l'énergie mécanique initiale <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />, <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. }}diffèrent suivant <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="différents portraits de phase d'un P.P.N.A."> Voir les paragraphes « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Tracé_des_portraits_de_phase_dans_le_cas_général_«_d'oscillations_ou_de_mouvement_révolutif_»_d'un_P.P.S._lancé_dans_les_C.I._«_1b_U_1a_»|tracé des portraits de phase dans le cas général d'oscillations ou de mouvement révolutif d'un P.P.S. lancé dans les C.I. 1b U 1a]] » du chap.<math>12</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\,\big(</math>l'allure des [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti étant la même que ceux d'un [[w:Pendule_simple|pendule simple]] non amorti<math>\big)\,</math> et « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Différents_portraits_de_phase_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté),_«_bifurcation_»_entre_mouvement_«_pendulaire_»_et_révolutif|différents portraits de phase du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté), bifurcation entre mouvement pendulaire et révolutif]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>pendulaire</u> <ref name="pendulaire"> Adjectif synonyme d'« oscillatoire ».</ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>fermé</u>, décrit dans le « <u>sens horaire</u> » <ref name="justification du sens horaire"> Ou « trigonométrique indirect », en effet « quand <math>\,\dot{\theta}\,</math> est <math>\,> 0</math>, <math>\,\theta \nearrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \nearrow\,</math> puis <math>\,\searrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule » ensuite «<math>\;\dot{\theta}\,</math> est <math>\,< 0</math>, correspondant à <math>\,\theta \searrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \searrow\,</math> puis <math>\,\nearrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule de nouveau » <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}avec le point «<math>\;\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)\;</math>» comme « <u>centre de </u>{{Nobr|<u>symétrie</u> » <ref name="justification du centre de symétrie"> Invariance de l’équation en changeant «<math>\;\theta\,</math> en <math>\,-\theta\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des vitesses angulaires <math>\,\big(</math>en fait antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>» et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Invariance de l’équation }}en changeant «<math>\;\dot{\theta}\,</math> en <math>\,-\dot{\theta}\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des abscisses angulaires <math>\,\big(</math>là encore c'est une antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|3}}l’association des deux symétries axiales <math>\,\big(</math>ou plutôt des deux antisymétries axiales<math>\big)\,</math> donnant un centre de symétrie pour l'intersection des deux axes <math>\,\big[</math>le point d'intersection des deux axes étant réellement une symétrie centrale <math>\,\big(</math>et non une antisymétrie centrale<math>\big)</math>.</ref>}} <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, avec le point «<math>\;\color{transparent}{\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)}\;</math>» }}correspondant à la position d’équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /> du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ; <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> }}<math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>révolutif</u>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>ouvert</u>, constitué de la <u>répétition du motif de l'intervalle</u><math>\;\left] -\pi\, , \, \pi \right]</math>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase }}répété <math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \nearrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} > 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 > 0\;</math>» ou <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase répété }}<math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \searrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} < 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 < 0\;</math>», <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)\;</math>» et celui avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,-\dot{\theta}_0 > 0 \right)\;</math>» <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, le portrait de phase avec C.I. «<math>\;\color{transparent}{\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)}\;</math>» }}étant <u>antisymétriques</u> l'un de l'autre, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>maxima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre stable</u> <ref name="équilibre stable du P.P." /> «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres stables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» ;<br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}\;</math>»<math>\big)\;</math> alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big)</math>.</ref> et <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>minima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre instable</u> <ref name="équilibre instable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessus de ce dernier.</ref> «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;</math> <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, les minima de<math>\;\color{transparent}{\vert \dot{\theta} \vert}\;</math>obtenus pour les positions d’équilibre instable «<math>\;\color{transparent}{\theta_{\text{éq. inst.}} =}</math> }}<math>\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres instables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = -\left( 2\;p' + 1 \right)\, \pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big[</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big]\;</math>.</ref>. == « Généralisation » à tout « solide » : « théorème de la variation de l’énergie mécanique » et la forme locale associée « le théorème de la puissance mécanique », application au cas d’un solide amorti == {{Al|5}}Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à la généralisation à tout système de points matériels ou continu de matière « indéformable » <ref name="solide au sens de la mécanique" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à }}la généralisation aux systèmes de points matériels ou continus de matière « déformables » sera faite dans le chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Lois_de_l'énergie_cinétique_pour_un_système_déformable_de_points_matériels#«_En_complément_»,_théorème_de_la_variation_de_l’énergie_mécanique_appliqué_à_un_système_de_matière_déformable_dans_le_champ_des_forces_extérieures_et_intérieures_conservatives_et_sa_forme_locale_«_le_théorème_de_la_puissance_mécanique_»|en complément : théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un système de matière déformable dans le champ des forces extérieures et intérieures conservatives et sa forme locale le théorème de la puissance mécanique]] » du chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. === Théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s’écrivant «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\bullet\;</math>celles qui sont conservatives <math>\,\big(</math>lesquelles « dérivent » d’une énergie potentielle<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{ransparent}{\bullet}\;</math>}}dont le travail pendant cette durée finie est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées }}<math>\bullet\;</math>celles qui sont non conservatives <ref name="non conservatives"> Ou, si elles sont conservatives, dont on ne considère pas le caractère « conservatif ».</ref> dont le travail pendant cette durée finie <br>{{Al|12}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>celles qui sont non conservatives dont }}est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}d'où «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou, avec «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, }}<math>\big(U_{\text{ext}}\,</math> étant l'énergie potentielle dont dérivent les forces conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, <math>\color{ransparent}{\big(}</math>}}définie à une constante additive près précisée par choix de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}<math>\Rightarrow</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» d’où la réécriture du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « solide <math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\left( \mathcal{S} \right)} + U_{\text{ext}} \right] = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» où on reconnaît dans le 1^er membre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}la variation de l’énergie mécanique «<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t) + U_{\text{ext}}\!(t)\;</math>» du solide «<math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le champ des forces conservatives sur la durée <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> dans le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où dans le champ des forces conservatives }}référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen d'où, finalement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}le lien entre la variation de l'énergie mécanique du « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;\Delta E_m = E_{m,\,\mathcal{F}} - E_{m,\,\mathcal{I}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» le lien }}le travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> sur cette même durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}«<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» applicable à un solide dans un référentiel d’étude galiléen, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}l'énoncé du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie dans un référentiel galiléen <ref> Ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. sous la forme où il existe des forces extérieures non conservatives dissipatives mais, comme le cas où toutes les forces extérieures travaillant sont conservatives est clairement explicité <math>\,\big(</math>sous la forme de la conservation de l’énergie mécanique du solide<math>\big)</math>, le cas où il existe des forces extérieures travaillant et non conservatives <math>\,\big(</math>comme des forces de frottement<math>\big)\,</math> s’appliquant à un solide peut difficilement être ignoré d'où l'ajout du théorème sous sa forme la plus générale <math>\;\ldots</math></ref>. : {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}<math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <math>\,K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation «<math>\;\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» }}égale au travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale au travail }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire dans un référentiel galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique }}se déduit aisément de sa forme sur une durée finie soit {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}conservatives <math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}<math>K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> <math>\color{transarent}{K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)}\,</math> l'énergie cinétique }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation élementaire«<math>\;d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t)\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» }}égale au travail élémentaire des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» égale au travail }}appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;d E_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide }}est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée finie ou élémentaire se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>». === Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de la puissance mécanique est la forme locale associée à la forme intégrée <ref name="forme intégrée de forme locale" /> “ théorème de la variation de l'énergie mécanique sur une durée finie ou élémentaire ” ; {{Al|5}}pour obtenir cette forme locale on écrit le théorème de la variation de l’énergie mécanique d’un solide dans le champ des forces extérieures conservatives entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math><ref> C.-à-d. la forme élémentaire du théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un solide.</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on écrit }}«<math>\;dE_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\,</math> dans un référentiel galiléen » puis, <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on divise les deux membres par <math>\,dt\,</math> soit «<math>\;\dfrac{dE_m}{dt} = \dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{dE_m}{dt}\;</math>» est la dérivée temporelle de l’énergie mécanique du solide dans le champ des forces extérieures conservatives définissant <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}la puissance mécanique du solide à l'instant <math>\,t\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives, notée «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» la puissance instantanée développée, à l'instant <math>\,t</math>, par les forces extérieures non conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}appliquées au solide notée «<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on obtient «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» d'où l'énoncé du théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen : {{Théorème|titre=Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide »|contenu = {{Al|5}}La puissance mécanique à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> <math>\big[</math>avec, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie mécanique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{ext}}(t)}\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces }}conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math>» l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique }}est égale à la puissance instantanée développée par les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique est égale à }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> au même instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide à un instant <math>\,t\,</math> quelconque se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}c.-à-d., après intégration, « la conservation de l’énergie mécanique du solide précédemment défini ». === Application au cas d’un solide amorti === {{Al|5}}Parmi les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées à un solide et travaillant, « les plus fréquentes sont dissipatives » <ref> Mais elles peuvent aussi être motrices par exemple, si nous souhaitons que les oscillations d’un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ou d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] perdurent alors qu’existent naturellement des frottements {{Nobr|<math>\,\big(</math>même}} minimes<math>\big)</math>, il est nécessaire de les entretenir à l’aide d’une force extérieure motrice compensant les forces de frottement, cette force motrice étant alors usuellement non conservative tout comme le sont les forces de frottement.</ref> comme les forces de frottement fluide <math>\,\big(</math>ou solide<math>\big)</math> ; {{Al|5}}si les seules forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> travaillant sont des forces de frottement s'exerçant sur un solide en mouvement dans un référentiel galiléen, <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces }}conservatives <ref name="théorème de la puissance mécanique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_la_puissance_mécanique_appliqué_à_un_«_solide_»|théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}s’écrivant «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{frott}}\!(t) < 0\;</math>» dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}l'énergie mécanique de ce solide «<math>\;E_m(t) \searrow\,</math> au sens strict » avec <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}</math> <math>\big(</math>il est qualifié d'« amorti »<math>\big)</math>. ==== Cas particulier du pendule de torsion amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] dont la photographie est dans un « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|paragraphe plus haut dans ce chapitre]] » mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}avec les masselottes remplacées par des ailettes comme présenté dans le schéma de vue de dessus de la « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|remarque du paragraphe précité]] », <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d'un fil et sa conservation en absence de frotemment]] (2^ème exemple) » plus haut dans ce chapitre dans lequel <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> doit être remplacée par <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})</math>.</ref> dans le référentiel <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « }}<math>\big\{</math>avec <math>\,U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> la position d'équilibre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « <math>\color{transparent}{\big\{}</math>avec <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2}\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence }}du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}on en déduit la puissance mécanique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;\dot{E}_m(t) = J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + 2\;C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]\,\dot{\theta}(t)\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}la puissance du couple de frottement fluide linéaire <math>\,\big(</math>seules forces extérieures non conservatives travaillant de moment scalaire par rapport à l'axe de rotation du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion la puissance du couple de frottement fluide linéaire <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>}}<math>\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion" />, <math>\,H\,</math> étant une constante positive <ref> Exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frottent les ailettes.</ref><math>\big)\,</math> <br>{{Al|6}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion la puissance du couple de frottement fluide linéaire }}agissant sur les ailettes du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étant «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] (remarque : actions extérieures exercées sur l'ensemble “ tige et ailettes ”) » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}le théorème de la puissance mécanique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» ou <br>{{Al|12}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» soit encore, {{Al|5}}l’application du théorème de la puissance mécanique au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> nous conduit à «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» ou «<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» soit encore, {{Al|5}}en explicitant la dérivée temporelle de l’énergie mécanique puis en divisant par «<math>\;\dot{\theta}\!(t)\;</math>», l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon «Mécanique 2 (PCSI)» à savoir <center>«<math>\;J_{\Delta_C}\!\left( \text{tige} + \text{ailettes} \right)\;\ddot{\theta}(t) + H\;\dot{\theta}(t) + 2\;C\;\theta(t) = 2\;C\;\theta_1\;</math>».</center> ==== Cas particulier du pendule pesant à un degré de liberté amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] à un degré de liberté du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre avec des frottements fluides linéaires comme présenté dans la vue de profil de la remarque du paragraphe précité, {{Al|5}}à la force extérieure «<math>\;m\;\vec{g}\;</math>», conservative, s'exerçant sur le P.P.A. <ref name="P.P.A." /> et « dérivant » de l'énergie potentielle de pesanteur de ce dernier, à savoir «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) =</math> <math>m\;g\;\mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos(\theta) \right]\;</math>» <math>\;\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre stable du solide <math>\;\theta_{\text{éq. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P." /><math>\big)\;</math><ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, il convient d'ajouter {{Al|5}}les forces de frottement fluide linéaire dont le moment scalaire relativement à l'axe <math>\;\Delta_O\;</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t) = -H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» a été établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « Mécanique 2 (PCSI) » <math>\;\big[H\;</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du pendule, de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel il frotte<math>\big]\;</math> montre que ces forces de frottement est un système non conservatif <ref name="raison du caractère non conservatif" />, la puissance de ces forces de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\;t</math>, selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right] =</math> <math>\mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t)\;\dot{\theta}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}l'énergie mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> étant «<math>\;E_m(t) = K(t) + U_{\text{pes}}\!\left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> à l'instant <math>\;t\;</math> dans le référentiel d'étude <math>\;\mathcal{R}</math>, <math>\;\big[J_{\Delta_O}\;</math> étant le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> relativement à son axe <math>\;\Delta_O\;</math> de rotation <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /><math>\big]\;</math> on en déduit aisément, dans <math>\;\mathcal{R}\;</math> et à l'instant <math>\;t</math>, la puissance mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en formant <math>\;\dot{E}_m(t) = \dfrac{d E_m}{dt}(t)\;</math> puis {{Al|5}}l’application du théorème de la puissance mécanique au P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> nous conduit à «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right]\;</math>» ou «<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» soit encore, {{Al|5}}en explicitant la dérivée temporelle de l’énergie mécanique puis en divisant par «<math>\;\dot{\theta}\!(t)\;</math>», l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon «Mécanique 2 (PCSI)» à savoir <center>«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) + H\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>».</center> == Notes et références == <references /> {{Bas de page | idfaculté = physique | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie|Approche énergét. du mouv. d'un sol. en rotat. autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels|Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels]] }} 4d14qqwxke028e6hd14ixj9dpbvfza0 987945 987944 2026-10-31T22:43:05Z Phl7605 31541 /* Cas particulier du pendule de torsion amorti par frottement fluide linéaire */ 987945 wikitext text/x-wiki {{Chapitre | idfaculté = physique | numéro = 12 | niveau = 14 | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie/]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels/]] }} <center>Ce chapitre est traité dans le cadre de la dynamique newtonienne avec ajout de quelques éléments de dynamique relativiste.</center> == Théorème de l'énergie cinétique d’un système de matière, cas d’un solide en rotation autour d’un axe fixe == {{Al|5}}Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}est évidemment à connaître comme forme intégrée de la forme locale <ref name="forme intégrée de forme locale"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Lois_de_la_puissance_et_de_l'énergie_cinétiques#Différence_entre_«_forme_locale_de_la_dynamique_»_et_«_forme_intégrée_associée_à_cette_forme_locale_»|différence entre forme locale de la dynamique et forme intégrée associée à cette forme locale]] » du chap.<math>15</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> « théorème de la puissance <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}cinétique d'un système de matière » laquelle est inscrite explicitement dans le programme <math>\;\ldots</math> === Définition du travail du système des forces extérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque"> Par « système de matière quelconque » il faut entendre « système fermé discret de points matériels ou continu de matière » « déformable ou non ».</ref> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1"> A priori <math>\,N\,</math> pourrait être égal à <math>\,1\,</math> mais ce ne serait plus un système de points matériels mais un simple point matériel.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes"> C.-à-d. l’ensemble des paramètres de position et de vitesse de tous les points à l'instant de définition de l'état, tous ces paramètres permettant d’y décrire le système.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> entre }}l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Expression_du_travail_élémentaire_de_la_force_dont_le_point_d’application_subit_le_vecteur_déplacement_élémentaire_correspondant_à_la_durée_élémentaire_de_développement_de_sa_puissance|expression du travail élémentaire de la force dont le point d'application subit le vecteur déplacement élémentaire correspondant à la durée élémentaire de développement de sa puissance]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - bis"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="infiniment proches"> Instants infiniment proches.</ref>, son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité volumique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance volumique <math>\,\mathcal{P}_{\text{vol},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t)</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité surfacique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance surfacique <math>\,\mathcal{P}_{\text{surf},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) =</math>}} <math>\sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité linéique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance linéique <math>\,\mathcal{P}_{\text{lin},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right] dt\;</math>».</ref>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« chaque point <math>\,\color{transparent}{M_i}\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> entre «<math>\;\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\;</math>» }}son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\,</math> étant aussi tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces extérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces extérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" />. === Définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est également présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2"> Pour l'existence de forces intérieures appliquées à un système, <math>\,N\,</math> doit être évidemment <math>\,\geqslant\,</math> à <math>\,2</math>.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes" /> et l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" /> sachant que <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir }}le système des forces intérieures s'exerçant sur le système discret fermé de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le système des forces intérieures }}est défini comme « l'ensemble des forces <math>\,\vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t)\,</math> que chaque point <math>\,M_j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, exerce sur chaque point <math>\,M_i,\;\;i \neq j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math>» <ref name="système de forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Forces,_principe_des_actions_réciproques#Système_des_forces_intérieures_s’exerçant_sur_un_système_de_points_matériels_fermé|système des forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math> entre les instants <math>\;t\;</math> et <math>\;t + dt\;</math> selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i} \right]\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - ter"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> dans lequel, chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \mu(M')\;d \mathcal{V}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bivolumique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}}{d \mathcal{V}_{M'}\;d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \sigma(M')\;d S_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\;</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bisurfacique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}}{d S_{M'}\;d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \lambda(M')\;d \mathit{l}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\;\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bilinéique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}}{d \mathit{l}_{M'}\;d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace dt\;</math>».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces intérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces intérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière" />. {{Al|5}}<u>Remarque 1</u> : Le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures }}peut aussi être défini à partir de la puissance instantanée développée par les forces intérieures s’exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="définition de la puissance développée par les forces intérieures"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Définition_2|définition]] (de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures peut aussi être défini }}selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - tetra"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : }}le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}s'obtenant en ajoutant tous les travaux élémentaires de <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}peut se calculer à partir de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> peut se calculer }}par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>». {{Al|5}}<u>Remarque 2</u> : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math><ref name="définition du référentiel Rj"> Le référentiel «<math>\;\mathcal{R}_j\;</math>» est le référentiel lié à <math>\,M_j\,</math> en translation par rapport au référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#cite_note-puissance_des_forces_intérieures_s'exerçant_sur_système_continu_de_matière_-_ter-55|⁵⁵]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> dans le référentiel <math>\,\color{transparent}{\mathcal{R}}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}_{\text{int}}(t)}</math> }}<math>= \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Autres_expressions_équivalentes|autres expressions équivalentes]] de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj"> Le point <math>\,M_i\,</math> décrivant dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_j</math> <math>\,\big[</math>lié à <math>\,M_j\,</math> et en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\big]\,</math> une trajectoire particulière <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}\;</math> entre les deux instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t)\big]\,</math> étant tangent à <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}</math>.</ref> ou <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures «}}<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right]\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : }}de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière" />{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" />{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" />. {{Al|5}}<u>Remarque 3</u> : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nulle <ref name="puissance des forces intérieures en général non nulle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (1^ère conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu"> Système discret de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique"> Le système se comporte donc comme un solide au sens de la mécanique.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures nulle pour un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (3^ème conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = 0\;\;\forall\;t\,</math> pour <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = 0\;\;\forall\;\left[ t\,,\,t + dt \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> le devient }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = 0\;\;\forall\;\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> ». === Théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Partant du théorème de la puissance cinétique appliqué, à l'instant <math>\,t</math>, à un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Énoncé|énoncé]] du théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> dans lequel <math>\,\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math> est la puissance cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{ext}}(t)\,</math> la puissance développée par les forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\,</math> celle développée par les forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la même date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on multiplie par <math>\,dt\,</math> pour obtenir la forme élémentaire du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir la forme élémentaire }}entre «<math>\;t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\;</math>» où <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> est la variation élémentaire d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{ext}}\,</math> le travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{int}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur le même <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on intègre entre <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique }}entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec <math>\,\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\,</math> variation d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\,</math> }}sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> le travail des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> le travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> celui des forces intérieures }}sur le même <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>. {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> étant nul quel que soit le mouvement du système » <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Définition_du_travail_du_système_des_forces_intérieures_appliquées_à_un_«_système_de_matière_»_entre_un_état_initial_et_un_état_final|définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un système de matière entre un état initial et un état final]] (remarque 3) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul }}<math>\Rightarrow</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide sous sa forme élémentaire ou <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide }}sur une durée finie : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière en translation » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière"> Système fermé discret fermé de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> en translation » <ref name="système en translation"> Un « système de matière en translation » ne se déformant pas peut aussi être qualifié de « solide » au sens de la mécanique.</ref>, tous les points ont le même vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> égal à celui du C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> <math>\,G\,</math> du système, d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\!G}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <ref name="signification du travail élémentaire développé par les forces extérieures appliquées à un système en translation"> Dans cette 3^ème expression «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» est aussi « le travail élémentaire qui serait développé, sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\,t + dt \right],</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>, par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans <math>\,\mathcal{R}\;</math>» <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», ce dernier s'obtenant par application du théorème du mouvement du C.D.I. <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Principe_fondamental_de_la_dynamique_et_théorème_de_la_résultante_cinétique#Énoncé_du_théorème_(dynamique_newtonienne)|énoncé du théorème (dynamique newtonienne)]] du mouvement du C.D.I. d'un système » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> correspondant aussi à l'application de la r.f.d.n. <math>\,\big(</math>relation fondamentale de la dynamique newtonienne<math>\big)\,</math> au point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>» sur lequel s'exercerait la résultante dynamique<math>\big\}</math>.</ref> dans laquelle «<math>\;\vec{F}_{\text{ext}}(t)\;</math> est la résultante <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}«}}dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» <ref> Voir les paragraphes « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_en_translation_»|cas d'un système de matière en translation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » et « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissancce développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces intérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{int},\,\text{syst. en transl.}} = 0\;</math>» <ref name="système en translation" />{{,}} <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>de la variation élémentaire de l'énergie cinétique du système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en transl.}}\;</math>» avec «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="signification de l'énergie cinétique d'un système en translation"> Dans cette 2^ème expression «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» est aussi « l'énergie cinétique newtonienne du point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans {{Nobr|<math>\,\mathcal{R}\,</math>»}} <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», tous les points du système en translation ayant même vitesse que le C.D.I. <math>\,G\big\}</math>.</ref> l'énergie cinétique <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, dans le cadre de la cinétique newtonienne <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en translation"> Voir le paragraphe « énergie cinétique dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Cas_d'un_système_en_translation|cas d'un système en translation]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique }}appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" />{{, }} <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque dans un référentiel galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> nous obtenons : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un référentiel <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière en translation <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> étant le C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> et <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =}</math> }}la résultante dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\,</math> ou <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste"> Applicable sous cette forme dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste.</ref> avec <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="système fermé de matière" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système en translation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =</math> <math>K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail effectué par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail effectué par la résultante dynamique }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <br>{{Al|208}}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Ce théorème <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais il doit bien sûr être connu <ref> Sans doute ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. car on considère usuellement un système de matière en translation comme un point matériel <math>\,\big(</math>le C.D.I. <math>\,G\,</math> du système<math>\big)\,</math> sur lequel s'exerce la résultante dynamique du système et, selon ce point de vue, le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un système de matière en translation n'est rien d'autre que le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un point matériel, lequel est, quant à lui, au programme <math>\;\ldots</math></ref>. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}<u>Préliminaire</u> : Un « système <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » peut, a priori, se déformer <ref name="système en rotation autour d'un axe"> Par exemple, en se dilatant, c.-à-d. que chaque point du système, en plus de sa rotation autour d'un axe fixe, s'éloigne radialement de cet axe <math>\,\big(</math>la vitesse d'éloignement pouvant être différente d'un point à un autre<math>\big)\,</math> mais dans ce cas il ne s'agit pas d'une rotation « pure » <math>\;\ldots</math> <br>{{Al|3}}Pour maintenir une même vitesse angulaire à un instant <math>\,t\,</math> pour tous les points d'un « système déformable », il faut que le mouvement orthoradial de chacun des points soit corrélé au mouvement radial correspondant, avec absence de mouvement axial, c.-à-d. que, pour deux points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> tels que la droite <math>\,M_iM_j\,</math> recoupe l'axe <math>\,\Delta\,</math> perpendiculairement en <math>\,H_{i,\,j}</math>, <math>\,\big[</math>les points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> ayant donc même abscisse angulaire <math>\,\theta_{i,\,j}(t)\big]\,</math> on ait <math>\,\dot{\theta}_{i,\,j}(t) = \overline{\Omega}(t)</math> <math>\,\big[</math>donc indépendant de <math>\,\left( i\,,\, j \right)\big]\,</math> pour tout instant <math>\,t\,</math> et pour tout couple <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> dont les éléments ont même abscisse angulaire, ces conditions étant très contraignantes sont quasiment jamais réalisées naturellement <math>\;\ldots</math></ref>, toutefois, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Préliminaire : un « système <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>fermé<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » }}il est, en pratique, indéformable et est alors qualifié de « solide » au sens de la mécanique ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Préliminaire : }}l’exposé ci-dessous s'applique à un système discret <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de points matériels ou un système continu <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}<u>Exposé</u> : Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière" /> indéformable, en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe <math>\,\Delta</math>, fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen », <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}tous les points ont le même vecteur rotation instantanée <math>\,\vec{\Omega}(t) = \overline{\Omega}(t)\;\vec{u}_{\Delta}\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\big[\vec{u}_{\Delta}\,</math> étant le vecteur unitaire orientant l'axe de rotation <math>\,\Delta\,</math> et <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\big[}</math>}}autour de cet axe de rotation <math>\,\Delta\big]\,</math> d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe"> Expression ne nécessitant pas que l'axe <math>\,\Delta\,</math> soit fixe, la fixité de l'axe dans un référentiel intervenant quand ce dernier est galiléen et quand on utilise l'un des théorèmes fondamentaux de la dynamique de rotation des systèmes <math>\,\big\{</math>par exemple le théorème de l'énergie cinétique établi dans ce paragraphe mais le traavail élémentaire déveeloppé par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» ne nécessite pas que <math>\,\Delta\,</math> soit fixe<math>\big\}</math>.</ref>{{,}} <ref name="travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur un système en rotation"> Voir le paragraphe « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> {{Nobr|«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)</math>}} <math>= \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;</math>» et le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\delta W\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right] = \mathcal{P}\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right]\;dt\;</math>» puis, en faisant la somme membre à membre de façon à définir le travail élémentaire du sytème des forces extérieures s'exerçant sur le système en rotation «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)\;dt\;</math>».</ref> où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> est le moment <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» ou, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>du travail élémentaire }}avec «<math>\;\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta\;</math>» dans lequel <math>\,\theta(t)\,</math> est l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, la réécriture <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>,«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>de la variation de l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}}\;</math>» avec, l'énergie cinétique, à l'instant <math>\,t</math>, de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le cadre de la cinétique newtonienne «<math>\;K_{\text{syst. en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en rotation autour d'un axe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d’un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d’un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> avec «<math>\;J_\Delta\,</math> le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}relativement à <math>\,\Delta\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe"> Voir la notion de moment d'inertie d'un système discret ou continu dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Application_à_un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe#Application_au_cas_d'un_«_système_fermé_de_matière_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe_«_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|application d'un système fermé de matière en rotation autour d'un axe Δ fixe quelconque dans un référentiel d'étuide galiléen]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> d'où, en cinétique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> appliqué à un solide <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_solide_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d'un système }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> avec «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» et «<math>\;\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <math>\,\overline{\Omega}(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}<math>= \dot{\theta}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> encore égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>avec <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> et <math>\,\theta(t)\,</math> l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" />, sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail du moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail du }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[\theta(t)\,</math> étant l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation est égale au travail du «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[\theta}\,</math> étant l'abscisse angulaire }}à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> étant le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = 2\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)}\;</math>» <math>\,\big[</math>}}<math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] <math>\,\big(</math>photographié ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_(non_amorti)|mise en équation différentielle du mouvement du pendule de torsion (non amorti)]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Théorème_de_la_puissance_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_autour_d'un_axe_Δ_fixe_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe dans un référentiel d'étude galiléen]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. {{Al|5}}Ci-contre le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec deux fils de torsion identiques de même constante de torsion «<math>\;C\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec }}positions de masselottes identiques <math>\,\big(</math>sauf pour la couleur<math>\big)\,</math> de part et d'autre du point <math>\,C\,</math><ref name="distinction entre point d'attache des fils sur la tige et constante de torsion des fils"> On accepte la même notation pour le point d'attache des deux fils sur la tige et la constante de torsion de ces derniers tant qu'il n'y a pas d'ambiguïté <math>\,\big(</math>ce qui ne devrait jamais arriver compte-tenu du fait que ces deux grandeurs sont de nature différente<math>\big)</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec positions de masselottes identiques }}<math>\,\big(C\,</math> point d’attache des deux fils de torsion sur la tige<math>\big)</math> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre <math>\,\big(</math>en absence de masselottes<math>\big)\,</math> diffère du « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] » de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici l'extrémité supérieure <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil de torsion supérieur est mobile au lieu d'être fixe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur étant dans les deux fixe et <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici la torsion initiale est fournie par rotation propre de <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> d'un angle «<math>\;2\,\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>repéré sur le cercle gradué lié à <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}</math>, position de référence du cercle gradué<math>\big)\,</math> <math>\Rightarrow</math> en pratique, après quelques oscillations, la tige <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}acquiert la position d'équilibre repérée par l'angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>voir vérification ci-dessous<math>\big)\,</math> alors que <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] la torsion initiale est fournie par rotation de la tige d'un angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>également repéré <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>dans le pendule du chap.7 }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}\big)</math>, la position d'équilibre de la tige étant repérée par l'angle nul ; {{Al|5}}<u>vérification de la position d'équilibre de la tige dans le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}orientant les deux fils de torsion du bas vers le haut, quand la tige acquiert la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion supérieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche"> Une hélice est « droite » si le point tourne sur la gauche <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique direct ou encore dans le sens antihoraire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée et <br>{{Al|31}}elle est « gauche » si le point tourne sur la droite <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique indirect ou encore dans le sens horaire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée <br>{{Al|3}}<math>\,\big[</math>revoir aussi la distinction « hélices gauche ou droite » dans le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Mouvement_de_particules_chargées_dans_des_champs_électrique_et_magnétique_:_Cas_particulier_d'un_champ_magnétostatique_uniforme#Nature_hélicoïdale_uniforme_du_mouvement_de_la_particule|nature hélicoïdale uniforme du mouvement de la particule]] » du chap.<math>24</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> d'un angle «<math>\;\theta_1 - 2\;\theta_1 = -\theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil"> L'angle de torsion du fil qui intervient dans le vecteur moment du couple de torsion est l'angle que fait l'extrémité mobile relativement à l'extrémité maintenue fixe même si cette extrémité est fixée avec torsion initiale comme c'est le cas pour le fil supérieur <math>\,\big\{</math>on peut vérifier que cette définition correspond bien au schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » car {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{A_0B_0}\;</math>»}} est lié à l'extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil supérieur et «<math>\;\overrightarrow{AB}\;</math>» à l’extrémité mobile <math>\,C\,</math> et il en est de même pour l'éventuel fil de torsion inférieur<math>\big\}</math>.</ref> par rapport à son extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion supérieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} = -C \left( -\theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion inférieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche" /> d’un angle «<math>\;\theta_1 - 0 = \theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil" /> par rapport à l’extrémité <math>\;O_{\text{inf}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion inférieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = -C \left( \theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = -C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur la tige vérifiant «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} + \vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = \vec{0}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur }}la tige est effectivement en équilibre dans cette position <math>\;\ldots</math> {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <math>\,\big\{</math>ensemble solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC"> L'axe <math>\,\Delta_C\,</math> est le support des fils de torsion.</ref> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemb}}le solide étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles"> Repérée par rapport à la position de l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemble solide étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des masselottes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des masselottes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des masselottes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur"> L'angle de torsion du fil supérieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 2\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation"> Il s'agit de l'application de la puissance instantanée développée par un système de forces extérieures sur un solide en rotation autour d'un axe fixe <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d'un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> quand le système de forces extérieures est équivalent à un couple <math>\,\big[</math>c.-à-d. un système dont la résultante est nulle et dont le moment résultant scalaire relativement à l'axe de rotation définit le moment scalaire du couple<math>\big]</math>.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur"> L'angle de torsion du fil inférieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 0 = \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cin%C3%A9tique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d'un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;</math> est le moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et masselottes » en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_C\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre"> Ce qui suppose que <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> est non identiquement nulle <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\theta(t)\,</math> n'est pas une constante c.-à-d. que le solide n'est pas à sa position d'équilibre.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à droite «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta_1\;</math>», équation différentielle linéaire <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants sans terme du 1^er ordre hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_non_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition non énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] », la présence d'un 2^nd membre constant signifiant que le paramètre caractérisant l'oscillateur dans l'espace n'est pas nul à l'équilibre.</ref> de rotation ; {{Al|5}}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Conséquence_«_le_pendule_de_torsion_(non_amorti)_est_un_oscillateur_harmonique_non_amorti_de_rotation_»|conséquence : le pendule de torsion (non amorti) est un oscillateur harmonique non amorti de rotation]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » ; [[File:Pendule de torsion amorti - vue de dessus.png|thumb|300px|Vue de dessus d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti par substitution d'ailettes planes aux masselottes fixées sur la tige <math>\,\big(</math>les fils de torsion supérieur et inférieur <math>\,\perp\,</math> au plan de la figure ne peuvent y être représentés<math>\big)</math>]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> du }}<math>\big(</math>voir vue de dessus partielle représentée ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre étant écarté initialement comme celui de début de paragraphe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, le pendule ci-contre étant écarté initialement }}la tige acquiert donc une position d'équilibre repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}l'ensemble « tige et ailettes » étant un solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC" /> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant }}le solide est, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant le solide est, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}les actions extérieures sont <math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des ailettes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{ailettte}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des ailettes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des ailettes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{ailette}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu dans lequel se déplace le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] exercent sur les ailettes, modélisées par un <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> }}couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Couple_de_frottement_fluide_linéaire_agissant_sur_le_pendule_par_l’intermédiaire_des_ailettes|couple de frottement fluide linéaire agissant sur le pendule par l'intermédiaire des ailettes]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple }}<math>\big[H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}et du fluide sur lequel frottent les ailettes<math>\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide la puissance instantanée }}selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\,</math> est le moment d'inertie du solide « tige + ailettes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et ailettes » en rotation autour de <math>\,\Delta_C\,</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t) - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t) - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1 - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étudié «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta_1\;</math>», équation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}différentielle linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique" /> de rotation ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Loi_horaire_de_position_angulaire_du_pendule_de_torsion_amorti|loi horaire de position angulaire du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ». == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule pesant non amorti à un degré de liberté - forces extérieures.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté <math>\,\big(</math>schématisé ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_non_amorti_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_du_moment_cinétique_scalaire|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant non amorti (à un degré de liberté) par application du théorème du moment cinétique scalaire]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />. {{Al|5}}Ci-contre schéma de face du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] idéale <ref name="liaison idéale"> C.-à-d. dans laquelle on peut négliger les frottements solides.</ref> du solide en rotation autour de l’axe horizontal <math>\,\Delta_O\;</math><ref name="liaison pivot du pendule"> Pour plus de détails voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Présentation_du_pendule_pesant_(non_amorti)_«_P.P.(N.A.)_»|présentation du pendule pesant (non amorti) P.P.(N.A.)]] (liaison pivot avec le point O) » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Non Amorti.</ref> à un degré de liberté ayant un mouvement de rotation imposé par la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] du solide avec l'axe <math>\,\Delta_O</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté }}son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,O</math>, d'axe <math>\,\Delta_O\,</math> orienté par le vecteur unitaire «<math>\;\vec{u}_{\Delta_O}\;</math>» et <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,\color{transparent}{O}</math>, }}de rayon «<math>\;\mathfrak{a}\;</math>» avec, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. }}<math>G\,</math> repéré par son abscisse angulaire «<math>\;\theta_G(t) = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\overrightarrow{OG}(t) \right\rbrace} = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\vec{u}_r(t) \right\rbrace}\;</math>» <ref name="noté theta"> Noté «<math>\;\theta(t)\;</math>» par la suite en absence d'ambiguïté.</ref> ; {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = \left[ \overrightarrow{OG}(t) \wedge m\;\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_O} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids"> Le moment vectoriel du poids par rapport à <math>\,O\,</math> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)\;</math>» a établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_liaison_sphérique_et_avec_les_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b),_établissement_de_la_nature_plane_du_mouvement_du_C.D.I._G_du_P.P.(N.A.)|dans le cas d'une liaison sphérique et avec les C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), établissement de la nature plane du mouvement du C.D.I. G du P.P.(N.A.)]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] », soit «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\varphi_G}(t)\;</math>» avec <math>\,\vec{u}_{\varphi_G}\,</math> s'identifiant à <math>\,\vec{u}_{\Delta_O}</math>. <br>{{Al|3}}On pouvait aussi déterminer directement le moment scalaire du poids, le schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_«_liaison_pivot_»_ou_d’une_«_liaison_sphérique_avec_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b)_»,_nouveau_repérage_adapté_à_la_nature_rotatoire_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_à_un_degré_de_liberté|dans le cas d'une liaison pivot ou d'une liaison sphérique avec C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), nouveau repérage adapté à la nature rotatoire du mouvement du P.P.(N.A.) à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » étant fait avec le paramètre de position angulaire <math>\,\theta > 0</math>, on observe que le poids tend à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,-\,</math> avec un bras de levier <math>\,\big(</math>distance orthogonale séparant l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du support de <math>\,m\;\vec{g}\big)\,</math> égal à <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où, dans le cas où <math>\,\theta\,</math> est <math>\,> 0</math>, {{Nobr|«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)</math>}} <math>= - \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>» <math>\,\Big\{</math>le résultat est indépendant du signe de <math>\,\theta\,</math> mais si le schéma était fait avec <math>\,\theta < 0</math>, on observerait que le poids tendrait à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,+\,</math> avec un bras de levier <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = + \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = m\;g\;\left[ -\mathfrak{a}\; \sin(\theta) \right] = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>», soit effectivement le même résultat <math>\,\big[</math>avec toutefois une possibilité d'erreur si on oubliait que <math>\,\theta < 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert = -\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\big]\Big\}</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_particulier_où_M_est_en_mouvement_circulaire_d'axe_Δ_et_de_vitesse_angulaire_instantanée_Ω(t)|cas particulier où M est en mouvement circulaire d'axe Δ et de vitesse angulaire instantanée Ω(t)]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> de la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I."> Conditions Initiales.</ref> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O"> On a établi dans la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#cite_note-réduction_à_deux_composantes_de_la_réaction_dans_ces_C.I.-18|¹⁸]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » que la réaction du point <math>\,O\,</math> dans l'hypothèse d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] sur le pendule lancé dans les C.I. <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\,</math> ou <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\,</math> s'écrirait <math>\,\vec{R}(t) =</math> <math>R_{\rho_G}(t)\;\vec{u}_{\rho_G}(t) + R_z(t)\;\vec{u}_z</math>, c.-à-d. que la réaction serait dans le plan vertical de lancement soit encore «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» ; <br>{{Al|3}}on établit de même <math>\,\big[</math>sans que cela ait été exposé dans le chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> que la réaction de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le pendule quels que soient les C.I. de lancement compatibles avec la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] s'écrit «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>».</ref> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul"> En effet la force étant <math>\,\perp\,</math> à l'axe par rapport auquel son moment scalaire est évalué est de bras de levier nul.</ref> auquel s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe"> Le couple étant de moment vectoriel <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta_O</math>.</ref> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée à la date <math>\,t\,</math> par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée développée à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|7}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}sans terme du 1^er ordre ; {{Al|5}}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique"> On appelle « [[w:Solution_de_forme_fermée|solution analytique]] » d'une équation différentielle, une expression mathématique <math>\,\big(</math>souvent dite « formule explicite »<math>\big)\,</math> pouvant s'obtenir par une combinaison d'opérations et de [[w:Fonction_de_référence|fonctions de référence]] <math>\,\big(</math>c.-à-d. fonctions affines, puissances, trigonométriques et exponentielles ainsi que leurs fonctions inverses sur un domaine de définition restreint pour lequel il y a bijection et même certaines solutions d'équations différentielles dites de référence<math>\big)</math>, les opérations étant l'addition, la soustraction, la multiplication, la division et l'extraction de racines.</ref> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’élongations_angulaires_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'élongations angulaires non petites]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il est nécessaire de procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="solution analytique dans le cas d'élongations petites"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Cas_particulier_des_«_petites_élongations_angulaires_»,_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_=_oscillateur_harmonique_(non_amorti)_approché_de_rotation,_période_des_«_petites_oscillations_»|cas particulier des petites élongations angulaires, pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) oscillateur harmonique (non amorti) approché de rotation, période des petites oscillations]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. [[File:Pendule pesant amorti à un degré de liberté - forces extérieures - bis.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures, <math>\,I\,</math> étant le point où la résultante des forces de frottement fluide peut être appliquée]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti <math>\,\big(</math>voir coupe partielle représentée ci-contre<math>\big)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire" /> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I." /> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O" /> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul" /> où s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe" /> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu où se déplace le [[w:Pendule_pesant|pendule]] exercent sur ce dernier, modélisées par <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}un couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_O}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti" />{{,}} <ref name="définition de H"> <math>\,H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]], de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frotte le solide.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Amorti.</ref> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0 - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right] - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_O}}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}avec terme linéaire du 1^er ordre ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique" /> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’amplitudes_initiales_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'amplitudes initiales non petites]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il faut procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique - bis"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » nécessitant néanmoins d'ajouter le terme d'amortissement <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A." />. == « En complément », caractère conservatif du couple de torsion, énergie potentielle de torsion et conservation de l’énergie mécanique du pendule de torsion (non amorti) dans le champ de torsion du fil == {{Al|5}}Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » ne sont pas explicités dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » }}il me semble souhaitable de le retenir <math>\,\big(</math>et bien sûr d’être capable de le retrouver<math>\big)</math>. === Caractère conservatif du couple de torsion === {{Al|5}}Le travail élémentaire d’un couple de torsion s’exerçant sur un solide, de vecteur moment «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t) = -C\;\alpha(t)\;\vec{u}_\Delta\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Expression_du_vecteur_moment_du_couple_de_torsion_exercé_par_le_fil_en_fonction_de_l'angle_de_torsion_«_α(t)_»,_notion_de_constante_de_torsion_«_C_»_du_fil_de_torsion|expression du vecteur moment du couple de torsion exercé par le fil de torsion α(t), notion de constante de torsion C du fil de torsion]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> lors d’une torsion élémentaire «<math>\;d \alpha\;</math>» <ref name="définition de Delta et alpha sur le fil de torsion"> <math>\,\Delta\,</math> étant la direction du fil de torsion orienté par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et «<math>\;\alpha\;</math>» l'angle de torsion algébrisé, défini au niveau de la liaison au solide dans le plan <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta\,</math> et orienté par <math>\,\vec{u}_\Delta</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion }}étant défini selon «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>», <math>\,\big[\overline{\Omega}(t)\,</math> étant la vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt}\;</math>», <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \alpha\;</math>»<math>\big]\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> soit finalement <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon }}«<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -C\;\alpha\; d \alpha\;</math>» correspondant à une différentielle de fonction <math>\Rightarrow</math> le <u>caractère conservatif du couple de torsion</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple"> Pour montrer qu’une force est conservative, on évalue son travail élémentaire en prenant un vecteur déplacement élémentaire quelconque <math>\,\overrightarrow{dM}\,</math> à partir du point d'application <math>\,M\,</math> de la force <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#2ème_définition_(équivalente)_d'une_force_«_conservative_»|2^ème définition (équivalente) d'une force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> ; <br>{{Al|3}}lorsqu'il s’agit d'un couple de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, il faut évaluer son travail élémentaire en envisageant une rotation élémentaire quelconque autour de n'importe quelle direction, le couple est alors conservatif si ce travail élémentaire est une différentielle de fonction mais <br>{{Al|3}}{{Transparent|lorsqu'il s'agit d'un couple }}dans le cas d’un couple de torsion de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, la seule direction autour de laquelle peut s’effectuer une rotation élémentaire est celle du fil c.-à-d. celle de <math>\,\vec{\Gamma}\,</math> et par suite la seule condition pour que le couple de torsion soit conservatif est que son travail élémentaire en considérant une rotation élémentaire autour de la direction du fil de torsion soit une différentielle de fonction ou encore que « le moment scalaire du couple de torsion par rapport au fil ne dépende que de l'angle de torsion <math>\,\alpha\;</math>» C.Q.E.R. <math>\,\big(</math>Ce Qui Est Réalisé<math>\big)</math>.</ref>. === Énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion === {{Al|5}}L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,U_{\text{tors}}\,</math> dont « dérive » le couple de torsion de vecteur moment <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}est définie par «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#1ère_définition_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|1^ère définition de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> c.-à-d. «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(\alpha)\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\,</math> ou <math>\,-C\;\alpha\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <math>\Leftrightarrow</math> «<math>\;\dfrac{dU_{\text{tors}}}{d \alpha} = C\;\alpha\;</math>» soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}en intégrant «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2 + cste\;</math>» ; choisissant la référence de l’énergie potentielle de torsion <math>\;U_{\text{tors}}(\alpha)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle"> C.-à-d. l'endroit où l'énergie potentielle est choisie nulle.</ref> <br>{{Al|7}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> en intégrant «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\alpha) = 2\; C\;\alpha^2 + cste}\;</math>» ; choisissant la référence }}quand le fil n’est pas tordu c.-à-d. <math>\,U_{\text{tors}}(0) = 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = 0</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}l'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d’un fil et sa conservation en absence de frottement === [[File:Pendule de torsion sans masselottes - actions exercées.png|thumb|500px|Schéma d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] représenté sans masselottes additives et avec fil inférieur sans torsion avec ajout des actions exercées sur la tige à l'instant <math>\;t</math>]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec un seul fil de torsion, l'autre fil étant sans torsion <math>\,\big(</math>voir schéma ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec un seul fil de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}la seule action extérieure de moment scalaire non nul par rapport à la direction <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}commune du fil de torsion et du fil sans torsion <math>\;\big(</math>orientée par le vecteur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> étant le couple « conservatif » de torsion <ref name="conservativité du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Caractère_conservatif_du_couple_de_torsion|caractère conservatif du couple de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}moment vectoriel «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}} = -C\;\alpha\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion /> auquel on associe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie potentielle de torsion du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre valant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;U_{\text{tors}}(t) =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion énergie potentielle de torsion }}<math>\,\dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_torsion_du_solide_relié_au_fil_de_torsion|énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}son énergie cinétique à la date <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{pend. tors.}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique }}<math>J_{CO_{\text{sup}}}\,</math> est le moment d'inertie du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] relativement à la <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique <math>\color{transparent}{J_{CO_{\text{sup}}}}\,</math> est }}direction du fil de torsion et du fil sans torsion <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à l'instant <math>\,t\,</math> selon «<math>\;E_m(t) = K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Propriétés_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|propriétés de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] (2^ème propriété) » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha_0 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\alpha(0) = \alpha_0\;</math> et <math>\,\dot{\alpha}(0) = 0\;</math>». [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]]]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige <math>\,\big(</math>voir photographie ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec deux fils de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}il y a deux actions extérieures s'exerçant sur le solide « tige + masselottes » de moment scalaire non nul par rapport à <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}la direction commune <math>\,\Delta_C\,</math> des deux fils de torsion <math>\,\big(</math>orientée par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}élémentaire du solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}prouve le <u>caractère conservatif du couple de torsion du fil supérieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}supérieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = -d U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta = -d U_{\text{tors. sup.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. sup.}}}{d \theta} = C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\,</math> qui s'intègre en <math>\,U_{\text{tors. sup.}}</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,= \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> et, en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. sup.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du solide à l'équilibre » c.-à-d. <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre"> Revoir l'explication rappelée dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans le chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil supérieur du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta_1 - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_1 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion"> Symboliquement l'énergie potentielle d'un solide dans le champ de torsion d'un fil de torsion s'obtient, à une constante additive près, par la moitié du produit de la constante de torsion du fil et du carré de l'angle de torsion, à l'instant <math>\;t</math>, du fil au point d'attache du solide.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation élémentaire du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\; \theta(t)\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et prouve le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<u>caractère conservatif du couple de torsion du fil inférieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}inférieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = -d U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\;\theta\;d \theta = -d U_{\text{tors. inf.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. inf.}}}{d \theta} = C\; \theta\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{tors. inf.}} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} + cste_2\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. inf.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position du solide à l'équilibre » c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil inférieur du solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2} + cste_2 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_2 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}finalement l'énergie potentielle globale de torsion du solide « tige + masselottes » <math>\,\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale }}s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = U_{\text{tors. sup.}}(\theta) + U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» ou, en simplifiant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale s'écrit }}«<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2\;</math>» <ref> En effet <math>\,\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + 2\;C\; \theta_1^{\,2} + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + C\; \theta_1^{\,2} = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2</math>.</ref>{{,}} <ref> Cette énergie potentielle de torsion du solide « tige + masselottes » est la même que celle que l'on obtiendrait avec un seul fil de torsion de constante de torsion <math>\,2\,C</math>, l'autre fil étant sans torsion avec la référence en la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>.</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule ci-dessus étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «<math>\;\color{transparent}{K_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#%Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torion par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique de l'ensemble tige + masselottes) » plus haut dans ce chapitre.</ref> avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule }}<math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion des deux fils définie, à l'instant <math>\,t\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie mécanique }}«<math>\;E_m(t) = K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}\! \left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\alpha\;</math>» dans le 1^er exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] ou <br>{{Al|57}}celui «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta - \theta_1 \right]^2 \,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du 2^ème exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|même]] paragraphe <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}étant parabolique, nous retrouvons la <u>2^ème définition d’un oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math>de rotation<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_(équivalente)_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition (équivalente) énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. <br>{{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> de son mouvement dans le 2^ème exemple du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}«<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2 = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>», <br>{{Al|58}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}les C.I. <ref name="C.I." /> étant «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}est donc une <u>ellipse décrite dans le sens horaire</u> <ref name="portrait de phase d'un socillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Tracé_du_portrait_de_phase_de_la_charge_du_condensateur_d'un_«_R_L_C_série_»_soumis_à_un_échelon_de_tension_suivant_le_cœfficient_d'amortissement|propriétés des portraits de phase de la charge du condensateur d'un RLC série soumis à un échelon de tension suivant le cœfficient d'amortissement]] (cas d'un circuit oscillant non amorti en vert) » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. == Conservation de l’énergie mécanique du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) dans le champ de pesanteur uniforme == === Énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant === {{Al|5}}Dans le cas d'un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref><math>\big)</math>, le poids du solide étant la seule action extérieure travaillant et ce dernier étant conservatif <ref name="poids d'un objet conservatif"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Établissement_du_caractère_«_conservatif_»_du_poids_d'un_point_matériel_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|établissement du caractère conservatif du poids d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, }}on lui associe l'énergie potentielle de pesanteur «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta)\;</math>» <ref name="énergie potentielle de pesanteur"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#«_Énergie_potentielle_de_pesanteur_d'un_point_matériel_»_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|énergie potentielle de pesanteur d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> déterminée en intégrant «<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = -dU_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> avec <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)\,</math> travail élémentaire du poids lors d'une rotation élémentaire d'angle <math>\,d \theta = \dot{\theta}(t)\;dt\,</math> autour de <math>\,\Delta_O\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe «<math>\;\color{transparent}{\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)}\,</math>}}<math>= \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;dt = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)\;dt = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;d \theta\;</math>» <ref name="travail élémentaire du poids du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (actions extérieures exercées sur le solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> d'où <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}<math>\,-dU_{\text{pes}} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\;d \theta\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{pes}}}{d \theta}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\,</math> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right) + cste\;</math>» <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}soit, en choisissant comme référence de l'énergie potentielle <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> « la position <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}d'équilibre stable de ce dernier <ref name="équilibre stable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessous de ce dernier.</ref> <math>\,\theta_{\text{éq. stable}} = 0\;</math>» d'où <math>\,U_{\text{pes}}(0) = 0\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}<math>\Rightarrow</math> <math>\,0 = -m\;g\;\mathfrak{a} + cste\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = m\;g\;\mathfrak{a}\,</math> d'où l'expression de <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}l'énergie potentielle de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> se réécrit selon <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta \right) \right]\;</math>» <ref> Pour trouver l'expression de l'énergie potentielle de pesanteur on peut aussi utiliser <math>\,\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = m\;g\;dz_G = -dU_{\text{pes}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{pes}} = -m\;g\;z_G + cste\,</math> sachant que <math>\,z_G = \mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right)\,</math> avec pour position d'équilibre stable <math>\,z_{G,\,\text{éq. stable}} = \mathfrak{a}</math> <math>\;\ldots</math></ref> <math>\,\big(</math>référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : la position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement === {{Al|5}}Considérant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A." /><math>\big)</math>, l'énergie potentielle de pesanteur étant «<math>\;U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right] = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\,</math> avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> <math>\,\theta_{\text{équi. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P."/> » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> et <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie cinétique du solide constituant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique du solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> dans laquelle <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie cinétique}}«<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du solide par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie mécanique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> dans le champ de pesanteur «<math>\;E_m\!(t) = K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) + U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right]</math> <br>{{Al|23}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie mécanique du P.P.N.A. dans le champ de pesanteur «<math>\;\color{transparent}{E_m\!(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{P.P.N.A.}}(t) + U_{\text{pes}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P..P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\,\left[ 1 - \cos(\theta) \right]\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}n'étant pas parabolique <math>\,\big(</math>mais sinusoïdal<math>\big)</math>, nous pouvons affirmer que <u>le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> n'est pas un oscillateur harmonique</u> <math>\,\big(</math>quand il est en situation d'osciller<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <math>\blacktriangleright\;</math>« oscillatoire pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'énergie mécanique initiale du P.P.N.A. vaut «<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^2 + m\;g\; \mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta_0 \right) \right]\;</math>».</ref> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. est }}<math>\blacktriangleright\;</math>« révolutive pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="étude du mouvement d'un P.P.N.A. par diagramme d'énergies"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Étude_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_dans_le_cas_général_des_élongations_angulaires_non_petites_par_diagramme_énergétique|étude du mouvement du P.P.(N.A.) dans le cas général des élongations angulaires non petites par diagramme énergétique]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}de démontrer, avec utilisation simultanée de l'intégrale 1^ère énergétique <ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'intégrale 1^ère énergétique du P.P.N.A. s'écrit «<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^{\,2} + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet de démontrer, }}la nature « périodique <math>\,\big(</math>oscillatoire ou révolutive<math>\big)\;</math>» ainsi que <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}d’établir l’expression de la période sous forme intégrale <math>\ldots</math> {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Les [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d’un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ayant pour équation implicite l’intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\;</math><ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" /> de son mouvement lequel dépend de la valeur de l'énergie mécanique initiale <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />, <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. }}diffèrent suivant <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="différents portraits de phase d'un P.P.N.A."> Voir les paragraphes « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Tracé_des_portraits_de_phase_dans_le_cas_général_«_d'oscillations_ou_de_mouvement_révolutif_»_d'un_P.P.S._lancé_dans_les_C.I._«_1b_U_1a_»|tracé des portraits de phase dans le cas général d'oscillations ou de mouvement révolutif d'un P.P.S. lancé dans les C.I. 1b U 1a]] » du chap.<math>12</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\,\big(</math>l'allure des [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti étant la même que ceux d'un [[w:Pendule_simple|pendule simple]] non amorti<math>\big)\,</math> et « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Différents_portraits_de_phase_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté),_«_bifurcation_»_entre_mouvement_«_pendulaire_»_et_révolutif|différents portraits de phase du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté), bifurcation entre mouvement pendulaire et révolutif]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>pendulaire</u> <ref name="pendulaire"> Adjectif synonyme d'« oscillatoire ».</ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>fermé</u>, décrit dans le « <u>sens horaire</u> » <ref name="justification du sens horaire"> Ou « trigonométrique indirect », en effet « quand <math>\,\dot{\theta}\,</math> est <math>\,> 0</math>, <math>\,\theta \nearrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \nearrow\,</math> puis <math>\,\searrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule » ensuite «<math>\;\dot{\theta}\,</math> est <math>\,< 0</math>, correspondant à <math>\,\theta \searrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \searrow\,</math> puis <math>\,\nearrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule de nouveau » <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}avec le point «<math>\;\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)\;</math>» comme « <u>centre de </u>{{Nobr|<u>symétrie</u> » <ref name="justification du centre de symétrie"> Invariance de l’équation en changeant «<math>\;\theta\,</math> en <math>\,-\theta\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des vitesses angulaires <math>\,\big(</math>en fait antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>» et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Invariance de l’équation }}en changeant «<math>\;\dot{\theta}\,</math> en <math>\,-\dot{\theta}\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des abscisses angulaires <math>\,\big(</math>là encore c'est une antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|3}}l’association des deux symétries axiales <math>\,\big(</math>ou plutôt des deux antisymétries axiales<math>\big)\,</math> donnant un centre de symétrie pour l'intersection des deux axes <math>\,\big[</math>le point d'intersection des deux axes étant réellement une symétrie centrale <math>\,\big(</math>et non une antisymétrie centrale<math>\big)</math>.</ref>}} <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, avec le point «<math>\;\color{transparent}{\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)}\;</math>» }}correspondant à la position d’équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /> du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ; <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> }}<math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>révolutif</u>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>ouvert</u>, constitué de la <u>répétition du motif de l'intervalle</u><math>\;\left] -\pi\, , \, \pi \right]</math>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase }}répété <math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \nearrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} > 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 > 0\;</math>» ou <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase répété }}<math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \searrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} < 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 < 0\;</math>», <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)\;</math>» et celui avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,-\dot{\theta}_0 > 0 \right)\;</math>» <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, le portrait de phase avec C.I. «<math>\;\color{transparent}{\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)}\;</math>» }}étant <u>antisymétriques</u> l'un de l'autre, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>maxima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre stable</u> <ref name="équilibre stable du P.P." /> «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres stables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» ;<br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}\;</math>»<math>\big)\;</math> alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big)</math>.</ref> et <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>minima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre instable</u> <ref name="équilibre instable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessus de ce dernier.</ref> «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;</math> <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, les minima de<math>\;\color{transparent}{\vert \dot{\theta} \vert}\;</math>obtenus pour les positions d’équilibre instable «<math>\;\color{transparent}{\theta_{\text{éq. inst.}} =}</math> }}<math>\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres instables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = -\left( 2\;p' + 1 \right)\, \pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big[</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big]\;</math>.</ref>. == « Généralisation » à tout « solide » : « théorème de la variation de l’énergie mécanique » et la forme locale associée « le théorème de la puissance mécanique », application au cas d’un solide amorti == {{Al|5}}Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à la généralisation à tout système de points matériels ou continu de matière « indéformable » <ref name="solide au sens de la mécanique" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à }}la généralisation aux systèmes de points matériels ou continus de matière « déformables » sera faite dans le chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Lois_de_l'énergie_cinétique_pour_un_système_déformable_de_points_matériels#«_En_complément_»,_théorème_de_la_variation_de_l’énergie_mécanique_appliqué_à_un_système_de_matière_déformable_dans_le_champ_des_forces_extérieures_et_intérieures_conservatives_et_sa_forme_locale_«_le_théorème_de_la_puissance_mécanique_»|en complément : théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un système de matière déformable dans le champ des forces extérieures et intérieures conservatives et sa forme locale le théorème de la puissance mécanique]] » du chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. === Théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s’écrivant «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\bullet\;</math>celles qui sont conservatives <math>\,\big(</math>lesquelles « dérivent » d’une énergie potentielle<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{ransparent}{\bullet}\;</math>}}dont le travail pendant cette durée finie est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées }}<math>\bullet\;</math>celles qui sont non conservatives <ref name="non conservatives"> Ou, si elles sont conservatives, dont on ne considère pas le caractère « conservatif ».</ref> dont le travail pendant cette durée finie <br>{{Al|12}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>celles qui sont non conservatives dont }}est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}d'où «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou, avec «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, }}<math>\big(U_{\text{ext}}\,</math> étant l'énergie potentielle dont dérivent les forces conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, <math>\color{ransparent}{\big(}</math>}}définie à une constante additive près précisée par choix de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}<math>\Rightarrow</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» d’où la réécriture du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « solide <math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\left( \mathcal{S} \right)} + U_{\text{ext}} \right] = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» où on reconnaît dans le 1^er membre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}la variation de l’énergie mécanique «<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t) + U_{\text{ext}}\!(t)\;</math>» du solide «<math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le champ des forces conservatives sur la durée <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> dans le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où dans le champ des forces conservatives }}référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen d'où, finalement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}le lien entre la variation de l'énergie mécanique du « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;\Delta E_m = E_{m,\,\mathcal{F}} - E_{m,\,\mathcal{I}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» le lien }}le travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> sur cette même durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}«<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» applicable à un solide dans un référentiel d’étude galiléen, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}l'énoncé du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie dans un référentiel galiléen <ref> Ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. sous la forme où il existe des forces extérieures non conservatives dissipatives mais, comme le cas où toutes les forces extérieures travaillant sont conservatives est clairement explicité <math>\,\big(</math>sous la forme de la conservation de l’énergie mécanique du solide<math>\big)</math>, le cas où il existe des forces extérieures travaillant et non conservatives <math>\,\big(</math>comme des forces de frottement<math>\big)\,</math> s’appliquant à un solide peut difficilement être ignoré d'où l'ajout du théorème sous sa forme la plus générale <math>\;\ldots</math></ref>. : {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}<math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <math>\,K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation «<math>\;\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» }}égale au travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale au travail }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire dans un référentiel galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique }}se déduit aisément de sa forme sur une durée finie soit {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}conservatives <math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}<math>K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> <math>\color{transarent}{K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)}\,</math> l'énergie cinétique }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation élementaire«<math>\;d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t)\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» }}égale au travail élémentaire des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» égale au travail }}appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;d E_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide }}est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée finie ou élémentaire se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>». === Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de la puissance mécanique est la forme locale associée à la forme intégrée <ref name="forme intégrée de forme locale" /> “ théorème de la variation de l'énergie mécanique sur une durée finie ou élémentaire ” ; {{Al|5}}pour obtenir cette forme locale on écrit le théorème de la variation de l’énergie mécanique d’un solide dans le champ des forces extérieures conservatives entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math><ref> C.-à-d. la forme élémentaire du théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un solide.</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on écrit }}«<math>\;dE_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\,</math> dans un référentiel galiléen » puis, <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on divise les deux membres par <math>\,dt\,</math> soit «<math>\;\dfrac{dE_m}{dt} = \dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{dE_m}{dt}\;</math>» est la dérivée temporelle de l’énergie mécanique du solide dans le champ des forces extérieures conservatives définissant <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}la puissance mécanique du solide à l'instant <math>\,t\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives, notée «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» la puissance instantanée développée, à l'instant <math>\,t</math>, par les forces extérieures non conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}appliquées au solide notée «<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on obtient «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» d'où l'énoncé du théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen : {{Théorème|titre=Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide »|contenu = {{Al|5}}La puissance mécanique à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> <math>\big[</math>avec, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie mécanique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{ext}}(t)}\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces }}conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math>» l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique }}est égale à la puissance instantanée développée par les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique est égale à }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> au même instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide à un instant <math>\,t\,</math> quelconque se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}c.-à-d., après intégration, « la conservation de l’énergie mécanique du solide précédemment défini ». === Application au cas d’un solide amorti === {{Al|5}}Parmi les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées à un solide et travaillant, « les plus fréquentes sont dissipatives » <ref> Mais elles peuvent aussi être motrices par exemple, si nous souhaitons que les oscillations d’un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ou d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] perdurent alors qu’existent naturellement des frottements {{Nobr|<math>\,\big(</math>même}} minimes<math>\big)</math>, il est nécessaire de les entretenir à l’aide d’une force extérieure motrice compensant les forces de frottement, cette force motrice étant alors usuellement non conservative tout comme le sont les forces de frottement.</ref> comme les forces de frottement fluide <math>\,\big(</math>ou solide<math>\big)</math> ; {{Al|5}}si les seules forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> travaillant sont des forces de frottement s'exerçant sur un solide en mouvement dans un référentiel galiléen, <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces }}conservatives <ref name="théorème de la puissance mécanique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_la_puissance_mécanique_appliqué_à_un_«_solide_»|théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}s’écrivant «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{frott}}\!(t) < 0\;</math>» dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}l'énergie mécanique de ce solide «<math>\;E_m(t) \searrow\,</math> au sens strict » avec <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}</math> <math>\big(</math>il est qualifié d'« amorti »<math>\big)</math>. ==== Cas particulier du pendule de torsion amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] dont la photographie est dans un « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|paragraphe plus haut dans ce chapitre]] » mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}avec les masselottes remplacées par des ailettes comme présenté dans le schéma de vue de dessus de la « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|remarque du paragraphe précité]] », <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d'un fil et sa conservation en absence de frotemment]] (2^ème exemple) » plus haut dans ce chapitre dans lequel <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> doit être remplacée par <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})</math>.</ref> dans le référentiel <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « }}<math>\big\{</math>avec <math>\,U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> la position d'équilibre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « <math>\color{transparent}{\big\{}</math>avec <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2}\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence }}du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}on en déduit la puissance mécanique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;\dot{E}_m(t) = J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + 2\;C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]\,\dot{\theta}(t)\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}la puissance du couple de frottement fluide linéaire <math>\,\big(</math>seules forces extérieures non conservatives travaillant de moment scalaire par rapport à l'axe de rotation du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion la puissance du couple de frottement fluide linéaire <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>}}<math>\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion" />, <math>\,H\,</math> étant une constante positive <ref> Exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frottent les ailettes.</ref><math>\big)\,</math> <br>{{Al|6}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion la puissance du couple de frottement fluide linéaire }}agissant sur les ailettes du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étant «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] (remarque : actions extérieures exercées sur l'ensemble “ tige et ailettes ”) » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}le théorème de la puissance mécanique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» ou <br>{{Al|14}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» soit encore, {{Al|5}}l’application du théorème de la puissance mécanique au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> nous conduit à «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» ou «<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» soit encore, {{Al|5}}en explicitant la dérivée temporelle de l’énergie mécanique puis en divisant par «<math>\;\dot{\theta}\!(t)\;</math>», l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon «Mécanique 2 (PCSI)» à savoir <center>«<math>\;J_{\Delta_C}\!\left( \text{tige} + \text{ailettes} \right)\;\ddot{\theta}(t) + H\;\dot{\theta}(t) + 2\;C\;\theta(t) = 2\;C\;\theta_1\;</math>».</center> ==== Cas particulier du pendule pesant à un degré de liberté amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] à un degré de liberté du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre avec des frottements fluides linéaires comme présenté dans la vue de profil de la remarque du paragraphe précité, {{Al|5}}à la force extérieure «<math>\;m\;\vec{g}\;</math>», conservative, s'exerçant sur le P.P.A. <ref name="P.P.A." /> et « dérivant » de l'énergie potentielle de pesanteur de ce dernier, à savoir «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) =</math> <math>m\;g\;\mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos(\theta) \right]\;</math>» <math>\;\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre stable du solide <math>\;\theta_{\text{éq. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P." /><math>\big)\;</math><ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, il convient d'ajouter {{Al|5}}les forces de frottement fluide linéaire dont le moment scalaire relativement à l'axe <math>\;\Delta_O\;</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t) = -H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» a été établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « Mécanique 2 (PCSI) » <math>\;\big[H\;</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du pendule, de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel il frotte<math>\big]\;</math> montre que ces forces de frottement est un système non conservatif <ref name="raison du caractère non conservatif" />, la puissance de ces forces de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\;t</math>, selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right] =</math> <math>\mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t)\;\dot{\theta}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}l'énergie mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> étant «<math>\;E_m(t) = K(t) + U_{\text{pes}}\!\left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> à l'instant <math>\;t\;</math> dans le référentiel d'étude <math>\;\mathcal{R}</math>, <math>\;\big[J_{\Delta_O}\;</math> étant le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> relativement à son axe <math>\;\Delta_O\;</math> de rotation <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /><math>\big]\;</math> on en déduit aisément, dans <math>\;\mathcal{R}\;</math> et à l'instant <math>\;t</math>, la puissance mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en formant <math>\;\dot{E}_m(t) = \dfrac{d E_m}{dt}(t)\;</math> puis {{Al|5}}l’application du théorème de la puissance mécanique au P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> nous conduit à «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right]\;</math>» ou «<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» soit encore, {{Al|5}}en explicitant la dérivée temporelle de l’énergie mécanique puis en divisant par «<math>\;\dot{\theta}\!(t)\;</math>», l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon «Mécanique 2 (PCSI)» à savoir <center>«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) + H\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>».</center> == Notes et références == <references /> {{Bas de page | idfaculté = physique | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie|Approche énergét. du mouv. d'un sol. en rotat. autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels|Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels]] }} ipz05vu7fptg164suafztl3f67k7vrp 987946 987945 2026-10-31T23:00:59Z Phl7605 31541 /* Cas particulier du pendule de torsion amorti par frottement fluide linéaire */ 987946 wikitext text/x-wiki {{Chapitre | idfaculté = physique | numéro = 12 | niveau = 14 | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie/]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels/]] }} <center>Ce chapitre est traité dans le cadre de la dynamique newtonienne avec ajout de quelques éléments de dynamique relativiste.</center> == Théorème de l'énergie cinétique d’un système de matière, cas d’un solide en rotation autour d’un axe fixe == {{Al|5}}Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}est évidemment à connaître comme forme intégrée de la forme locale <ref name="forme intégrée de forme locale"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Lois_de_la_puissance_et_de_l'énergie_cinétiques#Différence_entre_«_forme_locale_de_la_dynamique_»_et_«_forme_intégrée_associée_à_cette_forme_locale_»|différence entre forme locale de la dynamique et forme intégrée associée à cette forme locale]] » du chap.<math>15</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> « théorème de la puissance <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}cinétique d'un système de matière » laquelle est inscrite explicitement dans le programme <math>\;\ldots</math> === Définition du travail du système des forces extérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque"> Par « système de matière quelconque » il faut entendre « système fermé discret de points matériels ou continu de matière » « déformable ou non ».</ref> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1"> A priori <math>\,N\,</math> pourrait être égal à <math>\,1\,</math> mais ce ne serait plus un système de points matériels mais un simple point matériel.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes"> C.-à-d. l’ensemble des paramètres de position et de vitesse de tous les points à l'instant de définition de l'état, tous ces paramètres permettant d’y décrire le système.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> entre }}l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Expression_du_travail_élémentaire_de_la_force_dont_le_point_d’application_subit_le_vecteur_déplacement_élémentaire_correspondant_à_la_durée_élémentaire_de_développement_de_sa_puissance|expression du travail élémentaire de la force dont le point d'application subit le vecteur déplacement élémentaire correspondant à la durée élémentaire de développement de sa puissance]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - bis"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="infiniment proches"> Instants infiniment proches.</ref>, son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité volumique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance volumique <math>\,\mathcal{P}_{\text{vol},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t)</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité surfacique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance surfacique <math>\,\mathcal{P}_{\text{surf},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) =</math>}} <math>\sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité linéique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance linéique <math>\,\mathcal{P}_{\text{lin},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right] dt\;</math>».</ref>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« chaque point <math>\,\color{transparent}{M_i}\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> entre «<math>\;\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\;</math>» }}son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\,</math> étant aussi tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces extérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces extérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" />. === Définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est également présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2"> Pour l'existence de forces intérieures appliquées à un système, <math>\,N\,</math> doit être évidemment <math>\,\geqslant\,</math> à <math>\,2</math>.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes" /> et l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" /> sachant que <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir }}le système des forces intérieures s'exerçant sur le système discret fermé de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le système des forces intérieures }}est défini comme « l'ensemble des forces <math>\,\vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t)\,</math> que chaque point <math>\,M_j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, exerce sur chaque point <math>\,M_i,\;\;i \neq j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math>» <ref name="système de forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Forces,_principe_des_actions_réciproques#Système_des_forces_intérieures_s’exerçant_sur_un_système_de_points_matériels_fermé|système des forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math> entre les instants <math>\;t\;</math> et <math>\;t + dt\;</math> selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i} \right]\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - ter"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> dans lequel, chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \mu(M')\;d \mathcal{V}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bivolumique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}}{d \mathcal{V}_{M'}\;d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \sigma(M')\;d S_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\;</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bisurfacique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}}{d S_{M'}\;d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \lambda(M')\;d \mathit{l}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\;\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bilinéique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}}{d \mathit{l}_{M'}\;d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace dt\;</math>».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces intérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces intérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière" />. {{Al|5}}<u>Remarque 1</u> : Le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures }}peut aussi être défini à partir de la puissance instantanée développée par les forces intérieures s’exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="définition de la puissance développée par les forces intérieures"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Définition_2|définition]] (de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures peut aussi être défini }}selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - tetra"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : }}le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}s'obtenant en ajoutant tous les travaux élémentaires de <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}peut se calculer à partir de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> peut se calculer }}par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>». {{Al|5}}<u>Remarque 2</u> : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math><ref name="définition du référentiel Rj"> Le référentiel «<math>\;\mathcal{R}_j\;</math>» est le référentiel lié à <math>\,M_j\,</math> en translation par rapport au référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#cite_note-puissance_des_forces_intérieures_s'exerçant_sur_système_continu_de_matière_-_ter-55|⁵⁵]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> dans le référentiel <math>\,\color{transparent}{\mathcal{R}}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}_{\text{int}}(t)}</math> }}<math>= \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Autres_expressions_équivalentes|autres expressions équivalentes]] de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj"> Le point <math>\,M_i\,</math> décrivant dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_j</math> <math>\,\big[</math>lié à <math>\,M_j\,</math> et en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\big]\,</math> une trajectoire particulière <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}\;</math> entre les deux instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t)\big]\,</math> étant tangent à <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}</math>.</ref> ou <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures «}}<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right]\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : }}de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière" />{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" />{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" />. {{Al|5}}<u>Remarque 3</u> : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nulle <ref name="puissance des forces intérieures en général non nulle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (1^ère conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu"> Système discret de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique"> Le système se comporte donc comme un solide au sens de la mécanique.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures nulle pour un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (3^ème conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = 0\;\;\forall\;t\,</math> pour <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = 0\;\;\forall\;\left[ t\,,\,t + dt \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> le devient }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = 0\;\;\forall\;\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> ». === Théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Partant du théorème de la puissance cinétique appliqué, à l'instant <math>\,t</math>, à un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Énoncé|énoncé]] du théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> dans lequel <math>\,\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math> est la puissance cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{ext}}(t)\,</math> la puissance développée par les forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\,</math> celle développée par les forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la même date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on multiplie par <math>\,dt\,</math> pour obtenir la forme élémentaire du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir la forme élémentaire }}entre «<math>\;t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\;</math>» où <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> est la variation élémentaire d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{ext}}\,</math> le travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{int}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur le même <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on intègre entre <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique }}entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec <math>\,\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\,</math> variation d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\,</math> }}sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> le travail des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> le travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> celui des forces intérieures }}sur le même <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>. {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> étant nul quel que soit le mouvement du système » <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Définition_du_travail_du_système_des_forces_intérieures_appliquées_à_un_«_système_de_matière_»_entre_un_état_initial_et_un_état_final|définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un système de matière entre un état initial et un état final]] (remarque 3) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul }}<math>\Rightarrow</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide sous sa forme élémentaire ou <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide }}sur une durée finie : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière en translation » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière"> Système fermé discret fermé de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> en translation » <ref name="système en translation"> Un « système de matière en translation » ne se déformant pas peut aussi être qualifié de « solide » au sens de la mécanique.</ref>, tous les points ont le même vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> égal à celui du C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> <math>\,G\,</math> du système, d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\!G}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <ref name="signification du travail élémentaire développé par les forces extérieures appliquées à un système en translation"> Dans cette 3^ème expression «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» est aussi « le travail élémentaire qui serait développé, sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\,t + dt \right],</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>, par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans <math>\,\mathcal{R}\;</math>» <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», ce dernier s'obtenant par application du théorème du mouvement du C.D.I. <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Principe_fondamental_de_la_dynamique_et_théorème_de_la_résultante_cinétique#Énoncé_du_théorème_(dynamique_newtonienne)|énoncé du théorème (dynamique newtonienne)]] du mouvement du C.D.I. d'un système » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> correspondant aussi à l'application de la r.f.d.n. <math>\,\big(</math>relation fondamentale de la dynamique newtonienne<math>\big)\,</math> au point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>» sur lequel s'exercerait la résultante dynamique<math>\big\}</math>.</ref> dans laquelle «<math>\;\vec{F}_{\text{ext}}(t)\;</math> est la résultante <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}«}}dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» <ref> Voir les paragraphes « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_en_translation_»|cas d'un système de matière en translation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » et « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissancce développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces intérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{int},\,\text{syst. en transl.}} = 0\;</math>» <ref name="système en translation" />{{,}} <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>de la variation élémentaire de l'énergie cinétique du système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en transl.}}\;</math>» avec «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="signification de l'énergie cinétique d'un système en translation"> Dans cette 2^ème expression «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» est aussi « l'énergie cinétique newtonienne du point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans {{Nobr|<math>\,\mathcal{R}\,</math>»}} <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», tous les points du système en translation ayant même vitesse que le C.D.I. <math>\,G\big\}</math>.</ref> l'énergie cinétique <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, dans le cadre de la cinétique newtonienne <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en translation"> Voir le paragraphe « énergie cinétique dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Cas_d'un_système_en_translation|cas d'un système en translation]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique }}appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" />{{, }} <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque dans un référentiel galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> nous obtenons : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un référentiel <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière en translation <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> étant le C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> et <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =}</math> }}la résultante dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\,</math> ou <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste"> Applicable sous cette forme dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste.</ref> avec <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="système fermé de matière" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système en translation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =</math> <math>K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail effectué par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail effectué par la résultante dynamique }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <br>{{Al|208}}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Ce théorème <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais il doit bien sûr être connu <ref> Sans doute ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. car on considère usuellement un système de matière en translation comme un point matériel <math>\,\big(</math>le C.D.I. <math>\,G\,</math> du système<math>\big)\,</math> sur lequel s'exerce la résultante dynamique du système et, selon ce point de vue, le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un système de matière en translation n'est rien d'autre que le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un point matériel, lequel est, quant à lui, au programme <math>\;\ldots</math></ref>. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}<u>Préliminaire</u> : Un « système <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » peut, a priori, se déformer <ref name="système en rotation autour d'un axe"> Par exemple, en se dilatant, c.-à-d. que chaque point du système, en plus de sa rotation autour d'un axe fixe, s'éloigne radialement de cet axe <math>\,\big(</math>la vitesse d'éloignement pouvant être différente d'un point à un autre<math>\big)\,</math> mais dans ce cas il ne s'agit pas d'une rotation « pure » <math>\;\ldots</math> <br>{{Al|3}}Pour maintenir une même vitesse angulaire à un instant <math>\,t\,</math> pour tous les points d'un « système déformable », il faut que le mouvement orthoradial de chacun des points soit corrélé au mouvement radial correspondant, avec absence de mouvement axial, c.-à-d. que, pour deux points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> tels que la droite <math>\,M_iM_j\,</math> recoupe l'axe <math>\,\Delta\,</math> perpendiculairement en <math>\,H_{i,\,j}</math>, <math>\,\big[</math>les points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> ayant donc même abscisse angulaire <math>\,\theta_{i,\,j}(t)\big]\,</math> on ait <math>\,\dot{\theta}_{i,\,j}(t) = \overline{\Omega}(t)</math> <math>\,\big[</math>donc indépendant de <math>\,\left( i\,,\, j \right)\big]\,</math> pour tout instant <math>\,t\,</math> et pour tout couple <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> dont les éléments ont même abscisse angulaire, ces conditions étant très contraignantes sont quasiment jamais réalisées naturellement <math>\;\ldots</math></ref>, toutefois, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Préliminaire : un « système <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>fermé<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » }}il est, en pratique, indéformable et est alors qualifié de « solide » au sens de la mécanique ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Préliminaire : }}l’exposé ci-dessous s'applique à un système discret <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de points matériels ou un système continu <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}<u>Exposé</u> : Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière" /> indéformable, en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe <math>\,\Delta</math>, fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen », <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}tous les points ont le même vecteur rotation instantanée <math>\,\vec{\Omega}(t) = \overline{\Omega}(t)\;\vec{u}_{\Delta}\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\big[\vec{u}_{\Delta}\,</math> étant le vecteur unitaire orientant l'axe de rotation <math>\,\Delta\,</math> et <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\big[}</math>}}autour de cet axe de rotation <math>\,\Delta\big]\,</math> d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe"> Expression ne nécessitant pas que l'axe <math>\,\Delta\,</math> soit fixe, la fixité de l'axe dans un référentiel intervenant quand ce dernier est galiléen et quand on utilise l'un des théorèmes fondamentaux de la dynamique de rotation des systèmes <math>\,\big\{</math>par exemple le théorème de l'énergie cinétique établi dans ce paragraphe mais le traavail élémentaire déveeloppé par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» ne nécessite pas que <math>\,\Delta\,</math> soit fixe<math>\big\}</math>.</ref>{{,}} <ref name="travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur un système en rotation"> Voir le paragraphe « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> {{Nobr|«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)</math>}} <math>= \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;</math>» et le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\delta W\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right] = \mathcal{P}\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right]\;dt\;</math>» puis, en faisant la somme membre à membre de façon à définir le travail élémentaire du sytème des forces extérieures s'exerçant sur le système en rotation «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)\;dt\;</math>».</ref> où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> est le moment <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» ou, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>du travail élémentaire }}avec «<math>\;\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta\;</math>» dans lequel <math>\,\theta(t)\,</math> est l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, la réécriture <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>,«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>de la variation de l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}}\;</math>» avec, l'énergie cinétique, à l'instant <math>\,t</math>, de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le cadre de la cinétique newtonienne «<math>\;K_{\text{syst. en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en rotation autour d'un axe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d’un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d’un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> avec «<math>\;J_\Delta\,</math> le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}relativement à <math>\,\Delta\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe"> Voir la notion de moment d'inertie d'un système discret ou continu dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Application_à_un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe#Application_au_cas_d'un_«_système_fermé_de_matière_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe_«_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|application d'un système fermé de matière en rotation autour d'un axe Δ fixe quelconque dans un référentiel d'étuide galiléen]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> d'où, en cinétique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> appliqué à un solide <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_solide_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d'un système }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> avec «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» et «<math>\;\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <math>\,\overline{\Omega}(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}<math>= \dot{\theta}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> encore égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>avec <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> et <math>\,\theta(t)\,</math> l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" />, sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail du moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail du }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[\theta(t)\,</math> étant l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation est égale au travail du «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[\theta}\,</math> étant l'abscisse angulaire }}à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> étant le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = 2\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)}\;</math>» <math>\,\big[</math>}}<math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] <math>\,\big(</math>photographié ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_(non_amorti)|mise en équation différentielle du mouvement du pendule de torsion (non amorti)]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Théorème_de_la_puissance_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_autour_d'un_axe_Δ_fixe_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe dans un référentiel d'étude galiléen]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. {{Al|5}}Ci-contre le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec deux fils de torsion identiques de même constante de torsion «<math>\;C\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec }}positions de masselottes identiques <math>\,\big(</math>sauf pour la couleur<math>\big)\,</math> de part et d'autre du point <math>\,C\,</math><ref name="distinction entre point d'attache des fils sur la tige et constante de torsion des fils"> On accepte la même notation pour le point d'attache des deux fils sur la tige et la constante de torsion de ces derniers tant qu'il n'y a pas d'ambiguïté <math>\,\big(</math>ce qui ne devrait jamais arriver compte-tenu du fait que ces deux grandeurs sont de nature différente<math>\big)</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec positions de masselottes identiques }}<math>\,\big(C\,</math> point d’attache des deux fils de torsion sur la tige<math>\big)</math> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre <math>\,\big(</math>en absence de masselottes<math>\big)\,</math> diffère du « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] » de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici l'extrémité supérieure <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil de torsion supérieur est mobile au lieu d'être fixe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur étant dans les deux fixe et <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici la torsion initiale est fournie par rotation propre de <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> d'un angle «<math>\;2\,\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>repéré sur le cercle gradué lié à <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}</math>, position de référence du cercle gradué<math>\big)\,</math> <math>\Rightarrow</math> en pratique, après quelques oscillations, la tige <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}acquiert la position d'équilibre repérée par l'angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>voir vérification ci-dessous<math>\big)\,</math> alors que <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] la torsion initiale est fournie par rotation de la tige d'un angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>également repéré <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>dans le pendule du chap.7 }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}\big)</math>, la position d'équilibre de la tige étant repérée par l'angle nul ; {{Al|5}}<u>vérification de la position d'équilibre de la tige dans le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}orientant les deux fils de torsion du bas vers le haut, quand la tige acquiert la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion supérieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche"> Une hélice est « droite » si le point tourne sur la gauche <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique direct ou encore dans le sens antihoraire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée et <br>{{Al|31}}elle est « gauche » si le point tourne sur la droite <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique indirect ou encore dans le sens horaire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée <br>{{Al|3}}<math>\,\big[</math>revoir aussi la distinction « hélices gauche ou droite » dans le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Mouvement_de_particules_chargées_dans_des_champs_électrique_et_magnétique_:_Cas_particulier_d'un_champ_magnétostatique_uniforme#Nature_hélicoïdale_uniforme_du_mouvement_de_la_particule|nature hélicoïdale uniforme du mouvement de la particule]] » du chap.<math>24</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> d'un angle «<math>\;\theta_1 - 2\;\theta_1 = -\theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil"> L'angle de torsion du fil qui intervient dans le vecteur moment du couple de torsion est l'angle que fait l'extrémité mobile relativement à l'extrémité maintenue fixe même si cette extrémité est fixée avec torsion initiale comme c'est le cas pour le fil supérieur <math>\,\big\{</math>on peut vérifier que cette définition correspond bien au schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » car {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{A_0B_0}\;</math>»}} est lié à l'extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil supérieur et «<math>\;\overrightarrow{AB}\;</math>» à l’extrémité mobile <math>\,C\,</math> et il en est de même pour l'éventuel fil de torsion inférieur<math>\big\}</math>.</ref> par rapport à son extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion supérieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} = -C \left( -\theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion inférieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche" /> d’un angle «<math>\;\theta_1 - 0 = \theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil" /> par rapport à l’extrémité <math>\;O_{\text{inf}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion inférieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = -C \left( \theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = -C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur la tige vérifiant «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} + \vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = \vec{0}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur }}la tige est effectivement en équilibre dans cette position <math>\;\ldots</math> {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <math>\,\big\{</math>ensemble solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC"> L'axe <math>\,\Delta_C\,</math> est le support des fils de torsion.</ref> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemb}}le solide étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles"> Repérée par rapport à la position de l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemble solide étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des masselottes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des masselottes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des masselottes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur"> L'angle de torsion du fil supérieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 2\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation"> Il s'agit de l'application de la puissance instantanée développée par un système de forces extérieures sur un solide en rotation autour d'un axe fixe <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d'un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> quand le système de forces extérieures est équivalent à un couple <math>\,\big[</math>c.-à-d. un système dont la résultante est nulle et dont le moment résultant scalaire relativement à l'axe de rotation définit le moment scalaire du couple<math>\big]</math>.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur"> L'angle de torsion du fil inférieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 0 = \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cin%C3%A9tique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d'un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;</math> est le moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et masselottes » en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_C\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre"> Ce qui suppose que <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> est non identiquement nulle <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\theta(t)\,</math> n'est pas une constante c.-à-d. que le solide n'est pas à sa position d'équilibre.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à droite «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta_1\;</math>», équation différentielle linéaire <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants sans terme du 1^er ordre hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_non_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition non énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] », la présence d'un 2^nd membre constant signifiant que le paramètre caractérisant l'oscillateur dans l'espace n'est pas nul à l'équilibre.</ref> de rotation ; {{Al|5}}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Conséquence_«_le_pendule_de_torsion_(non_amorti)_est_un_oscillateur_harmonique_non_amorti_de_rotation_»|conséquence : le pendule de torsion (non amorti) est un oscillateur harmonique non amorti de rotation]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » ; [[File:Pendule de torsion amorti - vue de dessus.png|thumb|300px|Vue de dessus d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti par substitution d'ailettes planes aux masselottes fixées sur la tige <math>\,\big(</math>les fils de torsion supérieur et inférieur <math>\,\perp\,</math> au plan de la figure ne peuvent y être représentés<math>\big)</math>]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> du }}<math>\big(</math>voir vue de dessus partielle représentée ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre étant écarté initialement comme celui de début de paragraphe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, le pendule ci-contre étant écarté initialement }}la tige acquiert donc une position d'équilibre repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}l'ensemble « tige et ailettes » étant un solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC" /> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant }}le solide est, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant le solide est, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}les actions extérieures sont <math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des ailettes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{ailettte}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des ailettes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des ailettes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{ailette}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu dans lequel se déplace le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] exercent sur les ailettes, modélisées par un <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> }}couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Couple_de_frottement_fluide_linéaire_agissant_sur_le_pendule_par_l’intermédiaire_des_ailettes|couple de frottement fluide linéaire agissant sur le pendule par l'intermédiaire des ailettes]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple }}<math>\big[H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}et du fluide sur lequel frottent les ailettes<math>\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide la puissance instantanée }}selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\,</math> est le moment d'inertie du solide « tige + ailettes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et ailettes » en rotation autour de <math>\,\Delta_C\,</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t) - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t) - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1 - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étudié «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta_1\;</math>», équation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}différentielle linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique" /> de rotation ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Loi_horaire_de_position_angulaire_du_pendule_de_torsion_amorti|loi horaire de position angulaire du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ». == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule pesant non amorti à un degré de liberté - forces extérieures.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté <math>\,\big(</math>schématisé ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_non_amorti_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_du_moment_cinétique_scalaire|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant non amorti (à un degré de liberté) par application du théorème du moment cinétique scalaire]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />. {{Al|5}}Ci-contre schéma de face du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] idéale <ref name="liaison idéale"> C.-à-d. dans laquelle on peut négliger les frottements solides.</ref> du solide en rotation autour de l’axe horizontal <math>\,\Delta_O\;</math><ref name="liaison pivot du pendule"> Pour plus de détails voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Présentation_du_pendule_pesant_(non_amorti)_«_P.P.(N.A.)_»|présentation du pendule pesant (non amorti) P.P.(N.A.)]] (liaison pivot avec le point O) » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Non Amorti.</ref> à un degré de liberté ayant un mouvement de rotation imposé par la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] du solide avec l'axe <math>\,\Delta_O</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté }}son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,O</math>, d'axe <math>\,\Delta_O\,</math> orienté par le vecteur unitaire «<math>\;\vec{u}_{\Delta_O}\;</math>» et <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,\color{transparent}{O}</math>, }}de rayon «<math>\;\mathfrak{a}\;</math>» avec, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. }}<math>G\,</math> repéré par son abscisse angulaire «<math>\;\theta_G(t) = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\overrightarrow{OG}(t) \right\rbrace} = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\vec{u}_r(t) \right\rbrace}\;</math>» <ref name="noté theta"> Noté «<math>\;\theta(t)\;</math>» par la suite en absence d'ambiguïté.</ref> ; {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = \left[ \overrightarrow{OG}(t) \wedge m\;\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_O} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids"> Le moment vectoriel du poids par rapport à <math>\,O\,</math> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)\;</math>» a établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_liaison_sphérique_et_avec_les_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b),_établissement_de_la_nature_plane_du_mouvement_du_C.D.I._G_du_P.P.(N.A.)|dans le cas d'une liaison sphérique et avec les C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), établissement de la nature plane du mouvement du C.D.I. G du P.P.(N.A.)]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] », soit «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\varphi_G}(t)\;</math>» avec <math>\,\vec{u}_{\varphi_G}\,</math> s'identifiant à <math>\,\vec{u}_{\Delta_O}</math>. <br>{{Al|3}}On pouvait aussi déterminer directement le moment scalaire du poids, le schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_«_liaison_pivot_»_ou_d’une_«_liaison_sphérique_avec_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b)_»,_nouveau_repérage_adapté_à_la_nature_rotatoire_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_à_un_degré_de_liberté|dans le cas d'une liaison pivot ou d'une liaison sphérique avec C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), nouveau repérage adapté à la nature rotatoire du mouvement du P.P.(N.A.) à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » étant fait avec le paramètre de position angulaire <math>\,\theta > 0</math>, on observe que le poids tend à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,-\,</math> avec un bras de levier <math>\,\big(</math>distance orthogonale séparant l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du support de <math>\,m\;\vec{g}\big)\,</math> égal à <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où, dans le cas où <math>\,\theta\,</math> est <math>\,> 0</math>, {{Nobr|«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)</math>}} <math>= - \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>» <math>\,\Big\{</math>le résultat est indépendant du signe de <math>\,\theta\,</math> mais si le schéma était fait avec <math>\,\theta < 0</math>, on observerait que le poids tendrait à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,+\,</math> avec un bras de levier <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = + \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = m\;g\;\left[ -\mathfrak{a}\; \sin(\theta) \right] = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>», soit effectivement le même résultat <math>\,\big[</math>avec toutefois une possibilité d'erreur si on oubliait que <math>\,\theta < 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert = -\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\big]\Big\}</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_particulier_où_M_est_en_mouvement_circulaire_d'axe_Δ_et_de_vitesse_angulaire_instantanée_Ω(t)|cas particulier où M est en mouvement circulaire d'axe Δ et de vitesse angulaire instantanée Ω(t)]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> de la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I."> Conditions Initiales.</ref> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O"> On a établi dans la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#cite_note-réduction_à_deux_composantes_de_la_réaction_dans_ces_C.I.-18|¹⁸]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » que la réaction du point <math>\,O\,</math> dans l'hypothèse d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] sur le pendule lancé dans les C.I. <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\,</math> ou <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\,</math> s'écrirait <math>\,\vec{R}(t) =</math> <math>R_{\rho_G}(t)\;\vec{u}_{\rho_G}(t) + R_z(t)\;\vec{u}_z</math>, c.-à-d. que la réaction serait dans le plan vertical de lancement soit encore «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» ; <br>{{Al|3}}on établit de même <math>\,\big[</math>sans que cela ait été exposé dans le chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> que la réaction de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le pendule quels que soient les C.I. de lancement compatibles avec la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] s'écrit «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>».</ref> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul"> En effet la force étant <math>\,\perp\,</math> à l'axe par rapport auquel son moment scalaire est évalué est de bras de levier nul.</ref> auquel s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe"> Le couple étant de moment vectoriel <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta_O</math>.</ref> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée à la date <math>\,t\,</math> par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée développée à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|7}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}sans terme du 1^er ordre ; {{Al|5}}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique"> On appelle « [[w:Solution_de_forme_fermée|solution analytique]] » d'une équation différentielle, une expression mathématique <math>\,\big(</math>souvent dite « formule explicite »<math>\big)\,</math> pouvant s'obtenir par une combinaison d'opérations et de [[w:Fonction_de_référence|fonctions de référence]] <math>\,\big(</math>c.-à-d. fonctions affines, puissances, trigonométriques et exponentielles ainsi que leurs fonctions inverses sur un domaine de définition restreint pour lequel il y a bijection et même certaines solutions d'équations différentielles dites de référence<math>\big)</math>, les opérations étant l'addition, la soustraction, la multiplication, la division et l'extraction de racines.</ref> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’élongations_angulaires_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'élongations angulaires non petites]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il est nécessaire de procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="solution analytique dans le cas d'élongations petites"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Cas_particulier_des_«_petites_élongations_angulaires_»,_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_=_oscillateur_harmonique_(non_amorti)_approché_de_rotation,_période_des_«_petites_oscillations_»|cas particulier des petites élongations angulaires, pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) oscillateur harmonique (non amorti) approché de rotation, période des petites oscillations]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. [[File:Pendule pesant amorti à un degré de liberté - forces extérieures - bis.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures, <math>\,I\,</math> étant le point où la résultante des forces de frottement fluide peut être appliquée]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti <math>\,\big(</math>voir coupe partielle représentée ci-contre<math>\big)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire" /> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I." /> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O" /> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul" /> où s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe" /> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu où se déplace le [[w:Pendule_pesant|pendule]] exercent sur ce dernier, modélisées par <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}un couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_O}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti" />{{,}} <ref name="définition de H"> <math>\,H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]], de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frotte le solide.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Amorti.</ref> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0 - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right] - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_O}}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}avec terme linéaire du 1^er ordre ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique" /> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’amplitudes_initiales_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'amplitudes initiales non petites]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il faut procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique - bis"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » nécessitant néanmoins d'ajouter le terme d'amortissement <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A." />. == « En complément », caractère conservatif du couple de torsion, énergie potentielle de torsion et conservation de l’énergie mécanique du pendule de torsion (non amorti) dans le champ de torsion du fil == {{Al|5}}Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » ne sont pas explicités dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » }}il me semble souhaitable de le retenir <math>\,\big(</math>et bien sûr d’être capable de le retrouver<math>\big)</math>. === Caractère conservatif du couple de torsion === {{Al|5}}Le travail élémentaire d’un couple de torsion s’exerçant sur un solide, de vecteur moment «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t) = -C\;\alpha(t)\;\vec{u}_\Delta\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Expression_du_vecteur_moment_du_couple_de_torsion_exercé_par_le_fil_en_fonction_de_l'angle_de_torsion_«_α(t)_»,_notion_de_constante_de_torsion_«_C_»_du_fil_de_torsion|expression du vecteur moment du couple de torsion exercé par le fil de torsion α(t), notion de constante de torsion C du fil de torsion]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> lors d’une torsion élémentaire «<math>\;d \alpha\;</math>» <ref name="définition de Delta et alpha sur le fil de torsion"> <math>\,\Delta\,</math> étant la direction du fil de torsion orienté par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et «<math>\;\alpha\;</math>» l'angle de torsion algébrisé, défini au niveau de la liaison au solide dans le plan <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta\,</math> et orienté par <math>\,\vec{u}_\Delta</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion }}étant défini selon «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>», <math>\,\big[\overline{\Omega}(t)\,</math> étant la vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt}\;</math>», <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \alpha\;</math>»<math>\big]\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> soit finalement <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon }}«<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -C\;\alpha\; d \alpha\;</math>» correspondant à une différentielle de fonction <math>\Rightarrow</math> le <u>caractère conservatif du couple de torsion</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple"> Pour montrer qu’une force est conservative, on évalue son travail élémentaire en prenant un vecteur déplacement élémentaire quelconque <math>\,\overrightarrow{dM}\,</math> à partir du point d'application <math>\,M\,</math> de la force <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#2ème_définition_(équivalente)_d'une_force_«_conservative_»|2^ème définition (équivalente) d'une force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> ; <br>{{Al|3}}lorsqu'il s’agit d'un couple de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, il faut évaluer son travail élémentaire en envisageant une rotation élémentaire quelconque autour de n'importe quelle direction, le couple est alors conservatif si ce travail élémentaire est une différentielle de fonction mais <br>{{Al|3}}{{Transparent|lorsqu'il s'agit d'un couple }}dans le cas d’un couple de torsion de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, la seule direction autour de laquelle peut s’effectuer une rotation élémentaire est celle du fil c.-à-d. celle de <math>\,\vec{\Gamma}\,</math> et par suite la seule condition pour que le couple de torsion soit conservatif est que son travail élémentaire en considérant une rotation élémentaire autour de la direction du fil de torsion soit une différentielle de fonction ou encore que « le moment scalaire du couple de torsion par rapport au fil ne dépende que de l'angle de torsion <math>\,\alpha\;</math>» C.Q.E.R. <math>\,\big(</math>Ce Qui Est Réalisé<math>\big)</math>.</ref>. === Énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion === {{Al|5}}L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,U_{\text{tors}}\,</math> dont « dérive » le couple de torsion de vecteur moment <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}est définie par «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#1ère_définition_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|1^ère définition de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> c.-à-d. «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(\alpha)\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\,</math> ou <math>\,-C\;\alpha\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <math>\Leftrightarrow</math> «<math>\;\dfrac{dU_{\text{tors}}}{d \alpha} = C\;\alpha\;</math>» soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}en intégrant «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2 + cste\;</math>» ; choisissant la référence de l’énergie potentielle de torsion <math>\;U_{\text{tors}}(\alpha)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle"> C.-à-d. l'endroit où l'énergie potentielle est choisie nulle.</ref> <br>{{Al|7}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> en intégrant «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\alpha) = 2\; C\;\alpha^2 + cste}\;</math>» ; choisissant la référence }}quand le fil n’est pas tordu c.-à-d. <math>\,U_{\text{tors}}(0) = 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = 0</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}l'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d’un fil et sa conservation en absence de frottement === [[File:Pendule de torsion sans masselottes - actions exercées.png|thumb|500px|Schéma d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] représenté sans masselottes additives et avec fil inférieur sans torsion avec ajout des actions exercées sur la tige à l'instant <math>\;t</math>]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec un seul fil de torsion, l'autre fil étant sans torsion <math>\,\big(</math>voir schéma ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec un seul fil de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}la seule action extérieure de moment scalaire non nul par rapport à la direction <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}commune du fil de torsion et du fil sans torsion <math>\;\big(</math>orientée par le vecteur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> étant le couple « conservatif » de torsion <ref name="conservativité du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Caractère_conservatif_du_couple_de_torsion|caractère conservatif du couple de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}moment vectoriel «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}} = -C\;\alpha\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion /> auquel on associe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie potentielle de torsion du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre valant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;U_{\text{tors}}(t) =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion énergie potentielle de torsion }}<math>\,\dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_torsion_du_solide_relié_au_fil_de_torsion|énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}son énergie cinétique à la date <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{pend. tors.}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique }}<math>J_{CO_{\text{sup}}}\,</math> est le moment d'inertie du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] relativement à la <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique <math>\color{transparent}{J_{CO_{\text{sup}}}}\,</math> est }}direction du fil de torsion et du fil sans torsion <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à l'instant <math>\,t\,</math> selon «<math>\;E_m(t) = K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Propriétés_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|propriétés de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] (2^ème propriété) » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha_0 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\alpha(0) = \alpha_0\;</math> et <math>\,\dot{\alpha}(0) = 0\;</math>». [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]]]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige <math>\,\big(</math>voir photographie ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec deux fils de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}il y a deux actions extérieures s'exerçant sur le solide « tige + masselottes » de moment scalaire non nul par rapport à <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}la direction commune <math>\,\Delta_C\,</math> des deux fils de torsion <math>\,\big(</math>orientée par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}élémentaire du solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}prouve le <u>caractère conservatif du couple de torsion du fil supérieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}supérieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = -d U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta = -d U_{\text{tors. sup.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. sup.}}}{d \theta} = C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\,</math> qui s'intègre en <math>\,U_{\text{tors. sup.}}</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,= \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> et, en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. sup.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du solide à l'équilibre » c.-à-d. <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre"> Revoir l'explication rappelée dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans le chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil supérieur du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta_1 - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_1 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion"> Symboliquement l'énergie potentielle d'un solide dans le champ de torsion d'un fil de torsion s'obtient, à une constante additive près, par la moitié du produit de la constante de torsion du fil et du carré de l'angle de torsion, à l'instant <math>\;t</math>, du fil au point d'attache du solide.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation élémentaire du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\; \theta(t)\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et prouve le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<u>caractère conservatif du couple de torsion du fil inférieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}inférieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = -d U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\;\theta\;d \theta = -d U_{\text{tors. inf.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. inf.}}}{d \theta} = C\; \theta\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{tors. inf.}} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} + cste_2\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. inf.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position du solide à l'équilibre » c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil inférieur du solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2} + cste_2 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_2 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}finalement l'énergie potentielle globale de torsion du solide « tige + masselottes » <math>\,\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale }}s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = U_{\text{tors. sup.}}(\theta) + U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» ou, en simplifiant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale s'écrit }}«<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2\;</math>» <ref> En effet <math>\,\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + 2\;C\; \theta_1^{\,2} + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + C\; \theta_1^{\,2} = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2</math>.</ref>{{,}} <ref> Cette énergie potentielle de torsion du solide « tige + masselottes » est la même que celle que l'on obtiendrait avec un seul fil de torsion de constante de torsion <math>\,2\,C</math>, l'autre fil étant sans torsion avec la référence en la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>.</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule ci-dessus étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «<math>\;\color{transparent}{K_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#%Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torion par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique de l'ensemble tige + masselottes) » plus haut dans ce chapitre.</ref> avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule }}<math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion des deux fils définie, à l'instant <math>\,t\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie mécanique }}«<math>\;E_m(t) = K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}\! \left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\alpha\;</math>» dans le 1^er exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] ou <br>{{Al|57}}celui «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta - \theta_1 \right]^2 \,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du 2^ème exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|même]] paragraphe <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}étant parabolique, nous retrouvons la <u>2^ème définition d’un oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math>de rotation<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_(équivalente)_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition (équivalente) énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. <br>{{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> de son mouvement dans le 2^ème exemple du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}«<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2 = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>», <br>{{Al|58}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}les C.I. <ref name="C.I." /> étant «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}est donc une <u>ellipse décrite dans le sens horaire</u> <ref name="portrait de phase d'un socillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Tracé_du_portrait_de_phase_de_la_charge_du_condensateur_d'un_«_R_L_C_série_»_soumis_à_un_échelon_de_tension_suivant_le_cœfficient_d'amortissement|propriétés des portraits de phase de la charge du condensateur d'un RLC série soumis à un échelon de tension suivant le cœfficient d'amortissement]] (cas d'un circuit oscillant non amorti en vert) » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. == Conservation de l’énergie mécanique du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) dans le champ de pesanteur uniforme == === Énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant === {{Al|5}}Dans le cas d'un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref><math>\big)</math>, le poids du solide étant la seule action extérieure travaillant et ce dernier étant conservatif <ref name="poids d'un objet conservatif"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Établissement_du_caractère_«_conservatif_»_du_poids_d'un_point_matériel_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|établissement du caractère conservatif du poids d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, }}on lui associe l'énergie potentielle de pesanteur «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta)\;</math>» <ref name="énergie potentielle de pesanteur"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#«_Énergie_potentielle_de_pesanteur_d'un_point_matériel_»_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|énergie potentielle de pesanteur d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> déterminée en intégrant «<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = -dU_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> avec <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)\,</math> travail élémentaire du poids lors d'une rotation élémentaire d'angle <math>\,d \theta = \dot{\theta}(t)\;dt\,</math> autour de <math>\,\Delta_O\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe «<math>\;\color{transparent}{\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)}\,</math>}}<math>= \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;dt = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)\;dt = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;d \theta\;</math>» <ref name="travail élémentaire du poids du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (actions extérieures exercées sur le solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> d'où <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}<math>\,-dU_{\text{pes}} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\;d \theta\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{pes}}}{d \theta}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\,</math> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right) + cste\;</math>» <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}soit, en choisissant comme référence de l'énergie potentielle <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> « la position <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}d'équilibre stable de ce dernier <ref name="équilibre stable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessous de ce dernier.</ref> <math>\,\theta_{\text{éq. stable}} = 0\;</math>» d'où <math>\,U_{\text{pes}}(0) = 0\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}<math>\Rightarrow</math> <math>\,0 = -m\;g\;\mathfrak{a} + cste\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = m\;g\;\mathfrak{a}\,</math> d'où l'expression de <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}l'énergie potentielle de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> se réécrit selon <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta \right) \right]\;</math>» <ref> Pour trouver l'expression de l'énergie potentielle de pesanteur on peut aussi utiliser <math>\,\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = m\;g\;dz_G = -dU_{\text{pes}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{pes}} = -m\;g\;z_G + cste\,</math> sachant que <math>\,z_G = \mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right)\,</math> avec pour position d'équilibre stable <math>\,z_{G,\,\text{éq. stable}} = \mathfrak{a}</math> <math>\;\ldots</math></ref> <math>\,\big(</math>référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : la position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement === {{Al|5}}Considérant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A." /><math>\big)</math>, l'énergie potentielle de pesanteur étant «<math>\;U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right] = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\,</math> avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> <math>\,\theta_{\text{équi. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P."/> » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> et <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie cinétique du solide constituant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique du solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> dans laquelle <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie cinétique}}«<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du solide par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie mécanique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> dans le champ de pesanteur «<math>\;E_m\!(t) = K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) + U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right]</math> <br>{{Al|23}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie mécanique du P.P.N.A. dans le champ de pesanteur «<math>\;\color{transparent}{E_m\!(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{P.P.N.A.}}(t) + U_{\text{pes}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P..P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\,\left[ 1 - \cos(\theta) \right]\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}n'étant pas parabolique <math>\,\big(</math>mais sinusoïdal<math>\big)</math>, nous pouvons affirmer que <u>le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> n'est pas un oscillateur harmonique</u> <math>\,\big(</math>quand il est en situation d'osciller<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <math>\blacktriangleright\;</math>« oscillatoire pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'énergie mécanique initiale du P.P.N.A. vaut «<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^2 + m\;g\; \mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta_0 \right) \right]\;</math>».</ref> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. est }}<math>\blacktriangleright\;</math>« révolutive pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="étude du mouvement d'un P.P.N.A. par diagramme d'énergies"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Étude_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_dans_le_cas_général_des_élongations_angulaires_non_petites_par_diagramme_énergétique|étude du mouvement du P.P.(N.A.) dans le cas général des élongations angulaires non petites par diagramme énergétique]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}de démontrer, avec utilisation simultanée de l'intégrale 1^ère énergétique <ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'intégrale 1^ère énergétique du P.P.N.A. s'écrit «<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^{\,2} + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet de démontrer, }}la nature « périodique <math>\,\big(</math>oscillatoire ou révolutive<math>\big)\;</math>» ainsi que <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}d’établir l’expression de la période sous forme intégrale <math>\ldots</math> {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Les [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d’un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ayant pour équation implicite l’intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\;</math><ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" /> de son mouvement lequel dépend de la valeur de l'énergie mécanique initiale <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />, <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. }}diffèrent suivant <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="différents portraits de phase d'un P.P.N.A."> Voir les paragraphes « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Tracé_des_portraits_de_phase_dans_le_cas_général_«_d'oscillations_ou_de_mouvement_révolutif_»_d'un_P.P.S._lancé_dans_les_C.I._«_1b_U_1a_»|tracé des portraits de phase dans le cas général d'oscillations ou de mouvement révolutif d'un P.P.S. lancé dans les C.I. 1b U 1a]] » du chap.<math>12</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\,\big(</math>l'allure des [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti étant la même que ceux d'un [[w:Pendule_simple|pendule simple]] non amorti<math>\big)\,</math> et « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Différents_portraits_de_phase_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté),_«_bifurcation_»_entre_mouvement_«_pendulaire_»_et_révolutif|différents portraits de phase du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté), bifurcation entre mouvement pendulaire et révolutif]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>pendulaire</u> <ref name="pendulaire"> Adjectif synonyme d'« oscillatoire ».</ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>fermé</u>, décrit dans le « <u>sens horaire</u> » <ref name="justification du sens horaire"> Ou « trigonométrique indirect », en effet « quand <math>\,\dot{\theta}\,</math> est <math>\,> 0</math>, <math>\,\theta \nearrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \nearrow\,</math> puis <math>\,\searrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule » ensuite «<math>\;\dot{\theta}\,</math> est <math>\,< 0</math>, correspondant à <math>\,\theta \searrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \searrow\,</math> puis <math>\,\nearrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule de nouveau » <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}avec le point «<math>\;\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)\;</math>» comme « <u>centre de </u>{{Nobr|<u>symétrie</u> » <ref name="justification du centre de symétrie"> Invariance de l’équation en changeant «<math>\;\theta\,</math> en <math>\,-\theta\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des vitesses angulaires <math>\,\big(</math>en fait antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>» et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Invariance de l’équation }}en changeant «<math>\;\dot{\theta}\,</math> en <math>\,-\dot{\theta}\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des abscisses angulaires <math>\,\big(</math>là encore c'est une antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|3}}l’association des deux symétries axiales <math>\,\big(</math>ou plutôt des deux antisymétries axiales<math>\big)\,</math> donnant un centre de symétrie pour l'intersection des deux axes <math>\,\big[</math>le point d'intersection des deux axes étant réellement une symétrie centrale <math>\,\big(</math>et non une antisymétrie centrale<math>\big)</math>.</ref>}} <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, avec le point «<math>\;\color{transparent}{\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)}\;</math>» }}correspondant à la position d’équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /> du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ; <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> }}<math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>révolutif</u>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>ouvert</u>, constitué de la <u>répétition du motif de l'intervalle</u><math>\;\left] -\pi\, , \, \pi \right]</math>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase }}répété <math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \nearrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} > 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 > 0\;</math>» ou <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase répété }}<math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \searrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} < 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 < 0\;</math>», <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)\;</math>» et celui avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,-\dot{\theta}_0 > 0 \right)\;</math>» <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, le portrait de phase avec C.I. «<math>\;\color{transparent}{\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)}\;</math>» }}étant <u>antisymétriques</u> l'un de l'autre, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>maxima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre stable</u> <ref name="équilibre stable du P.P." /> «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres stables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» ;<br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}\;</math>»<math>\big)\;</math> alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big)</math>.</ref> et <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>minima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre instable</u> <ref name="équilibre instable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessus de ce dernier.</ref> «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;</math> <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, les minima de<math>\;\color{transparent}{\vert \dot{\theta} \vert}\;</math>obtenus pour les positions d’équilibre instable «<math>\;\color{transparent}{\theta_{\text{éq. inst.}} =}</math> }}<math>\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres instables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = -\left( 2\;p' + 1 \right)\, \pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big[</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big]\;</math>.</ref>. == « Généralisation » à tout « solide » : « théorème de la variation de l’énergie mécanique » et la forme locale associée « le théorème de la puissance mécanique », application au cas d’un solide amorti == {{Al|5}}Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à la généralisation à tout système de points matériels ou continu de matière « indéformable » <ref name="solide au sens de la mécanique" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à }}la généralisation aux systèmes de points matériels ou continus de matière « déformables » sera faite dans le chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Lois_de_l'énergie_cinétique_pour_un_système_déformable_de_points_matériels#«_En_complément_»,_théorème_de_la_variation_de_l’énergie_mécanique_appliqué_à_un_système_de_matière_déformable_dans_le_champ_des_forces_extérieures_et_intérieures_conservatives_et_sa_forme_locale_«_le_théorème_de_la_puissance_mécanique_»|en complément : théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un système de matière déformable dans le champ des forces extérieures et intérieures conservatives et sa forme locale le théorème de la puissance mécanique]] » du chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. === Théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s’écrivant «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\bullet\;</math>celles qui sont conservatives <math>\,\big(</math>lesquelles « dérivent » d’une énergie potentielle<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{ransparent}{\bullet}\;</math>}}dont le travail pendant cette durée finie est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées }}<math>\bullet\;</math>celles qui sont non conservatives <ref name="non conservatives"> Ou, si elles sont conservatives, dont on ne considère pas le caractère « conservatif ».</ref> dont le travail pendant cette durée finie <br>{{Al|12}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>celles qui sont non conservatives dont }}est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}d'où «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou, avec «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, }}<math>\big(U_{\text{ext}}\,</math> étant l'énergie potentielle dont dérivent les forces conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, <math>\color{ransparent}{\big(}</math>}}définie à une constante additive près précisée par choix de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}<math>\Rightarrow</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» d’où la réécriture du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « solide <math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\left( \mathcal{S} \right)} + U_{\text{ext}} \right] = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» où on reconnaît dans le 1^er membre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}la variation de l’énergie mécanique «<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t) + U_{\text{ext}}\!(t)\;</math>» du solide «<math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le champ des forces conservatives sur la durée <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> dans le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où dans le champ des forces conservatives }}référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen d'où, finalement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}le lien entre la variation de l'énergie mécanique du « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;\Delta E_m = E_{m,\,\mathcal{F}} - E_{m,\,\mathcal{I}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» le lien }}le travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> sur cette même durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}«<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» applicable à un solide dans un référentiel d’étude galiléen, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}l'énoncé du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie dans un référentiel galiléen <ref> Ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. sous la forme où il existe des forces extérieures non conservatives dissipatives mais, comme le cas où toutes les forces extérieures travaillant sont conservatives est clairement explicité <math>\,\big(</math>sous la forme de la conservation de l’énergie mécanique du solide<math>\big)</math>, le cas où il existe des forces extérieures travaillant et non conservatives <math>\,\big(</math>comme des forces de frottement<math>\big)\,</math> s’appliquant à un solide peut difficilement être ignoré d'où l'ajout du théorème sous sa forme la plus générale <math>\;\ldots</math></ref>. : {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}<math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <math>\,K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation «<math>\;\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» }}égale au travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale au travail }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire dans un référentiel galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique }}se déduit aisément de sa forme sur une durée finie soit {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}conservatives <math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}<math>K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> <math>\color{transarent}{K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)}\,</math> l'énergie cinétique }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation élementaire«<math>\;d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t)\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» }}égale au travail élémentaire des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» égale au travail }}appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;d E_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide }}est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée finie ou élémentaire se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>». === Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de la puissance mécanique est la forme locale associée à la forme intégrée <ref name="forme intégrée de forme locale" /> “ théorème de la variation de l'énergie mécanique sur une durée finie ou élémentaire ” ; {{Al|5}}pour obtenir cette forme locale on écrit le théorème de la variation de l’énergie mécanique d’un solide dans le champ des forces extérieures conservatives entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math><ref> C.-à-d. la forme élémentaire du théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un solide.</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on écrit }}«<math>\;dE_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\,</math> dans un référentiel galiléen » puis, <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on divise les deux membres par <math>\,dt\,</math> soit «<math>\;\dfrac{dE_m}{dt} = \dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{dE_m}{dt}\;</math>» est la dérivée temporelle de l’énergie mécanique du solide dans le champ des forces extérieures conservatives définissant <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}la puissance mécanique du solide à l'instant <math>\,t\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives, notée «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» la puissance instantanée développée, à l'instant <math>\,t</math>, par les forces extérieures non conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}appliquées au solide notée «<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on obtient «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» d'où l'énoncé du théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen : {{Théorème|titre=Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide »|contenu = {{Al|5}}La puissance mécanique à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> <math>\big[</math>avec, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie mécanique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{ext}}(t)}\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces }}conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math>» l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique }}est égale à la puissance instantanée développée par les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique est égale à }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> au même instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide à un instant <math>\,t\,</math> quelconque se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}c.-à-d., après intégration, « la conservation de l’énergie mécanique du solide précédemment défini ». === Application au cas d’un solide amorti === {{Al|5}}Parmi les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées à un solide et travaillant, « les plus fréquentes sont dissipatives » <ref> Mais elles peuvent aussi être motrices par exemple, si nous souhaitons que les oscillations d’un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ou d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] perdurent alors qu’existent naturellement des frottements {{Nobr|<math>\,\big(</math>même}} minimes<math>\big)</math>, il est nécessaire de les entretenir à l’aide d’une force extérieure motrice compensant les forces de frottement, cette force motrice étant alors usuellement non conservative tout comme le sont les forces de frottement.</ref> comme les forces de frottement fluide <math>\,\big(</math>ou solide<math>\big)</math> ; {{Al|5}}si les seules forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> travaillant sont des forces de frottement s'exerçant sur un solide en mouvement dans un référentiel galiléen, <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces }}conservatives <ref name="théorème de la puissance mécanique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_la_puissance_mécanique_appliqué_à_un_«_solide_»|théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}s’écrivant «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{frott}}\!(t) < 0\;</math>» dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}l'énergie mécanique de ce solide «<math>\;E_m(t) \searrow\,</math> au sens strict » avec <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}</math> <math>\big(</math>il est qualifié d'« amorti »<math>\big)</math>. ==== Cas particulier du pendule de torsion amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] dont la photographie est dans un « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|paragraphe plus haut dans ce chapitre]] » mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}avec les masselottes remplacées par des ailettes comme présenté dans le schéma de vue de dessus de la « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|remarque du paragraphe précité]] », <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d'un fil et sa conservation en absence de frotemment]] (2^ème exemple) » plus haut dans ce chapitre dans lequel <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> doit être remplacée par <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})</math>.</ref> dans le référentiel <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « }}<math>\big\{</math>avec <math>\,U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> la position d'équilibre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « <math>\color{transparent}{\big\{}</math>avec <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2}\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence }}du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}on en déduit la puissance mécanique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;\dot{E}_m(t) = J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + 2\;C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]\,\dot{\theta}(t)\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}la puissance du couple de frottement fluide linéaire <math>\,\big(</math>seules forces extérieures non conservatives travaillant de moment scalaire par rapport à l'axe de rotation du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion la puissance du couple de frottement fluide linéaire <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>}}<math>\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion" />, <math>\,H\,</math> étant une constante positive <ref> Exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frottent les ailettes.</ref><math>\big)\,</math> <br>{{Al|6}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion la puissance du couple de frottement fluide linéaire }}agissant sur les ailettes du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étant «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] (remarque : actions extérieures exercées sur l'ensemble “ tige et ailettes ”) » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}le théorème de la puissance mécanique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» ou <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» ou encore, <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + 2\;C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]\,\dot{\theta}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}après simplication par <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> non identiquement nulle <ref name="hors position d'équilibre" /> et normalisation <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <ref> Identique à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <center>«<math>\;\ddot{\theta}(t) + + \dfrac{H}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta_1\;</math>».</center> ==== Cas particulier du pendule pesant à un degré de liberté amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] à un degré de liberté du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre avec des frottements fluides linéaires comme présenté dans la vue de profil de la remarque du paragraphe précité, {{Al|5}}à la force extérieure «<math>\;m\;\vec{g}\;</math>», conservative, s'exerçant sur le P.P.A. <ref name="P.P.A." /> et « dérivant » de l'énergie potentielle de pesanteur de ce dernier, à savoir «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) =</math> <math>m\;g\;\mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos(\theta) \right]\;</math>» <math>\;\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre stable du solide <math>\;\theta_{\text{éq. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P." /><math>\big)\;</math><ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, il convient d'ajouter {{Al|5}}les forces de frottement fluide linéaire dont le moment scalaire relativement à l'axe <math>\;\Delta_O\;</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t) = -H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» a été établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « Mécanique 2 (PCSI) » <math>\;\big[H\;</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du pendule, de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel il frotte<math>\big]\;</math> montre que ces forces de frottement est un système non conservatif <ref name="raison du caractère non conservatif" />, la puissance de ces forces de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\;t</math>, selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right] =</math> <math>\mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t)\;\dot{\theta}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}l'énergie mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> étant «<math>\;E_m(t) = K(t) + U_{\text{pes}}\!\left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> à l'instant <math>\;t\;</math> dans le référentiel d'étude <math>\;\mathcal{R}</math>, <math>\;\big[J_{\Delta_O}\;</math> étant le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> relativement à son axe <math>\;\Delta_O\;</math> de rotation <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /><math>\big]\;</math> on en déduit aisément, dans <math>\;\mathcal{R}\;</math> et à l'instant <math>\;t</math>, la puissance mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en formant <math>\;\dot{E}_m(t) = \dfrac{d E_m}{dt}(t)\;</math> puis {{Al|5}}l’application du théorème de la puissance mécanique au P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> nous conduit à «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right]\;</math>» ou «<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» soit encore, {{Al|5}}en explicitant la dérivée temporelle de l’énergie mécanique puis en divisant par «<math>\;\dot{\theta}\!(t)\;</math>», l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon «Mécanique 2 (PCSI)» à savoir <center>«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) + H\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>».</center> == Notes et références == <references /> {{Bas de page | idfaculté = physique | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie|Approche énergét. du mouv. d'un sol. en rotat. autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels|Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels]] }} q3d5kd6lvhsa2zfrks6cnykq4ytlv7s 987947 987946 2026-10-31T23:01:48Z Phl7605 31541 /* Cas particulier du pendule de torsion amorti par frottement fluide linéaire */ 987947 wikitext text/x-wiki {{Chapitre | idfaculté = physique | numéro = 12 | niveau = 14 | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie/]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels/]] }} <center>Ce chapitre est traité dans le cadre de la dynamique newtonienne avec ajout de quelques éléments de dynamique relativiste.</center> == Théorème de l'énergie cinétique d’un système de matière, cas d’un solide en rotation autour d’un axe fixe == {{Al|5}}Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}est évidemment à connaître comme forme intégrée de la forme locale <ref name="forme intégrée de forme locale"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Lois_de_la_puissance_et_de_l'énergie_cinétiques#Différence_entre_«_forme_locale_de_la_dynamique_»_et_«_forme_intégrée_associée_à_cette_forme_locale_»|différence entre forme locale de la dynamique et forme intégrée associée à cette forme locale]] » du chap.<math>15</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> « théorème de la puissance <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}cinétique d'un système de matière » laquelle est inscrite explicitement dans le programme <math>\;\ldots</math> === Définition du travail du système des forces extérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque"> Par « système de matière quelconque » il faut entendre « système fermé discret de points matériels ou continu de matière » « déformable ou non ».</ref> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1"> A priori <math>\,N\,</math> pourrait être égal à <math>\,1\,</math> mais ce ne serait plus un système de points matériels mais un simple point matériel.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes"> C.-à-d. l’ensemble des paramètres de position et de vitesse de tous les points à l'instant de définition de l'état, tous ces paramètres permettant d’y décrire le système.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> entre }}l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Expression_du_travail_élémentaire_de_la_force_dont_le_point_d’application_subit_le_vecteur_déplacement_élémentaire_correspondant_à_la_durée_élémentaire_de_développement_de_sa_puissance|expression du travail élémentaire de la force dont le point d'application subit le vecteur déplacement élémentaire correspondant à la durée élémentaire de développement de sa puissance]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - bis"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="infiniment proches"> Instants infiniment proches.</ref>, son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité volumique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance volumique <math>\,\mathcal{P}_{\text{vol},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t)</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité surfacique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance surfacique <math>\,\mathcal{P}_{\text{surf},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) =</math>}} <math>\sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité linéique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance linéique <math>\,\mathcal{P}_{\text{lin},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right] dt\;</math>».</ref>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« chaque point <math>\,\color{transparent}{M_i}\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> entre «<math>\;\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\;</math>» }}son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\,</math> étant aussi tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces extérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces extérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" />. === Définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est également présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2"> Pour l'existence de forces intérieures appliquées à un système, <math>\,N\,</math> doit être évidemment <math>\,\geqslant\,</math> à <math>\,2</math>.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes" /> et l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" /> sachant que <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir }}le système des forces intérieures s'exerçant sur le système discret fermé de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le système des forces intérieures }}est défini comme « l'ensemble des forces <math>\,\vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t)\,</math> que chaque point <math>\,M_j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, exerce sur chaque point <math>\,M_i,\;\;i \neq j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math>» <ref name="système de forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Forces,_principe_des_actions_réciproques#Système_des_forces_intérieures_s’exerçant_sur_un_système_de_points_matériels_fermé|système des forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math> entre les instants <math>\;t\;</math> et <math>\;t + dt\;</math> selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i} \right]\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - ter"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> dans lequel, chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \mu(M')\;d \mathcal{V}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bivolumique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}}{d \mathcal{V}_{M'}\;d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \sigma(M')\;d S_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\;</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bisurfacique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}}{d S_{M'}\;d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \lambda(M')\;d \mathit{l}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\;\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bilinéique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}}{d \mathit{l}_{M'}\;d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace dt\;</math>».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces intérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces intérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière" />. {{Al|5}}<u>Remarque 1</u> : Le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures }}peut aussi être défini à partir de la puissance instantanée développée par les forces intérieures s’exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="définition de la puissance développée par les forces intérieures"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Définition_2|définition]] (de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures peut aussi être défini }}selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - tetra"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : }}le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}s'obtenant en ajoutant tous les travaux élémentaires de <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}peut se calculer à partir de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> peut se calculer }}par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>». {{Al|5}}<u>Remarque 2</u> : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math><ref name="définition du référentiel Rj"> Le référentiel «<math>\;\mathcal{R}_j\;</math>» est le référentiel lié à <math>\,M_j\,</math> en translation par rapport au référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#cite_note-puissance_des_forces_intérieures_s'exerçant_sur_système_continu_de_matière_-_ter-55|⁵⁵]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> dans le référentiel <math>\,\color{transparent}{\mathcal{R}}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}_{\text{int}}(t)}</math> }}<math>= \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Autres_expressions_équivalentes|autres expressions équivalentes]] de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj"> Le point <math>\,M_i\,</math> décrivant dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_j</math> <math>\,\big[</math>lié à <math>\,M_j\,</math> et en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\big]\,</math> une trajectoire particulière <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}\;</math> entre les deux instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t)\big]\,</math> étant tangent à <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}</math>.</ref> ou <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures «}}<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right]\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : }}de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière" />{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" />{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" />. {{Al|5}}<u>Remarque 3</u> : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nulle <ref name="puissance des forces intérieures en général non nulle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (1^ère conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu"> Système discret de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique"> Le système se comporte donc comme un solide au sens de la mécanique.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures nulle pour un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (3^ème conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = 0\;\;\forall\;t\,</math> pour <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = 0\;\;\forall\;\left[ t\,,\,t + dt \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> le devient }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = 0\;\;\forall\;\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> ». === Théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Partant du théorème de la puissance cinétique appliqué, à l'instant <math>\,t</math>, à un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Énoncé|énoncé]] du théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> dans lequel <math>\,\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math> est la puissance cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{ext}}(t)\,</math> la puissance développée par les forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\,</math> celle développée par les forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la même date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on multiplie par <math>\,dt\,</math> pour obtenir la forme élémentaire du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir la forme élémentaire }}entre «<math>\;t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\;</math>» où <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> est la variation élémentaire d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{ext}}\,</math> le travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{int}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur le même <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on intègre entre <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique }}entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec <math>\,\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\,</math> variation d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\,</math> }}sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> le travail des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> le travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> celui des forces intérieures }}sur le même <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>. {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> étant nul quel que soit le mouvement du système » <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Définition_du_travail_du_système_des_forces_intérieures_appliquées_à_un_«_système_de_matière_»_entre_un_état_initial_et_un_état_final|définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un système de matière entre un état initial et un état final]] (remarque 3) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul }}<math>\Rightarrow</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide sous sa forme élémentaire ou <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide }}sur une durée finie : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière en translation » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière"> Système fermé discret fermé de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> en translation » <ref name="système en translation"> Un « système de matière en translation » ne se déformant pas peut aussi être qualifié de « solide » au sens de la mécanique.</ref>, tous les points ont le même vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> égal à celui du C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> <math>\,G\,</math> du système, d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\!G}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <ref name="signification du travail élémentaire développé par les forces extérieures appliquées à un système en translation"> Dans cette 3^ème expression «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» est aussi « le travail élémentaire qui serait développé, sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\,t + dt \right],</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>, par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans <math>\,\mathcal{R}\;</math>» <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», ce dernier s'obtenant par application du théorème du mouvement du C.D.I. <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Principe_fondamental_de_la_dynamique_et_théorème_de_la_résultante_cinétique#Énoncé_du_théorème_(dynamique_newtonienne)|énoncé du théorème (dynamique newtonienne)]] du mouvement du C.D.I. d'un système » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> correspondant aussi à l'application de la r.f.d.n. <math>\,\big(</math>relation fondamentale de la dynamique newtonienne<math>\big)\,</math> au point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>» sur lequel s'exercerait la résultante dynamique<math>\big\}</math>.</ref> dans laquelle «<math>\;\vec{F}_{\text{ext}}(t)\;</math> est la résultante <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}«}}dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» <ref> Voir les paragraphes « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_en_translation_»|cas d'un système de matière en translation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » et « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissancce développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces intérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{int},\,\text{syst. en transl.}} = 0\;</math>» <ref name="système en translation" />{{,}} <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>de la variation élémentaire de l'énergie cinétique du système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en transl.}}\;</math>» avec «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="signification de l'énergie cinétique d'un système en translation"> Dans cette 2^ème expression «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» est aussi « l'énergie cinétique newtonienne du point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans {{Nobr|<math>\,\mathcal{R}\,</math>»}} <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», tous les points du système en translation ayant même vitesse que le C.D.I. <math>\,G\big\}</math>.</ref> l'énergie cinétique <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, dans le cadre de la cinétique newtonienne <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en translation"> Voir le paragraphe « énergie cinétique dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Cas_d'un_système_en_translation|cas d'un système en translation]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique }}appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" />{{, }} <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque dans un référentiel galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> nous obtenons : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un référentiel <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière en translation <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> étant le C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> et <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =}</math> }}la résultante dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\,</math> ou <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste"> Applicable sous cette forme dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste.</ref> avec <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="système fermé de matière" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système en translation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =</math> <math>K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail effectué par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail effectué par la résultante dynamique }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <br>{{Al|208}}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Ce théorème <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais il doit bien sûr être connu <ref> Sans doute ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. car on considère usuellement un système de matière en translation comme un point matériel <math>\,\big(</math>le C.D.I. <math>\,G\,</math> du système<math>\big)\,</math> sur lequel s'exerce la résultante dynamique du système et, selon ce point de vue, le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un système de matière en translation n'est rien d'autre que le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un point matériel, lequel est, quant à lui, au programme <math>\;\ldots</math></ref>. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}<u>Préliminaire</u> : Un « système <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » peut, a priori, se déformer <ref name="système en rotation autour d'un axe"> Par exemple, en se dilatant, c.-à-d. que chaque point du système, en plus de sa rotation autour d'un axe fixe, s'éloigne radialement de cet axe <math>\,\big(</math>la vitesse d'éloignement pouvant être différente d'un point à un autre<math>\big)\,</math> mais dans ce cas il ne s'agit pas d'une rotation « pure » <math>\;\ldots</math> <br>{{Al|3}}Pour maintenir une même vitesse angulaire à un instant <math>\,t\,</math> pour tous les points d'un « système déformable », il faut que le mouvement orthoradial de chacun des points soit corrélé au mouvement radial correspondant, avec absence de mouvement axial, c.-à-d. que, pour deux points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> tels que la droite <math>\,M_iM_j\,</math> recoupe l'axe <math>\,\Delta\,</math> perpendiculairement en <math>\,H_{i,\,j}</math>, <math>\,\big[</math>les points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> ayant donc même abscisse angulaire <math>\,\theta_{i,\,j}(t)\big]\,</math> on ait <math>\,\dot{\theta}_{i,\,j}(t) = \overline{\Omega}(t)</math> <math>\,\big[</math>donc indépendant de <math>\,\left( i\,,\, j \right)\big]\,</math> pour tout instant <math>\,t\,</math> et pour tout couple <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> dont les éléments ont même abscisse angulaire, ces conditions étant très contraignantes sont quasiment jamais réalisées naturellement <math>\;\ldots</math></ref>, toutefois, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Préliminaire : un « système <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>fermé<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » }}il est, en pratique, indéformable et est alors qualifié de « solide » au sens de la mécanique ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Préliminaire : }}l’exposé ci-dessous s'applique à un système discret <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de points matériels ou un système continu <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}<u>Exposé</u> : Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière" /> indéformable, en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe <math>\,\Delta</math>, fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen », <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}tous les points ont le même vecteur rotation instantanée <math>\,\vec{\Omega}(t) = \overline{\Omega}(t)\;\vec{u}_{\Delta}\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\big[\vec{u}_{\Delta}\,</math> étant le vecteur unitaire orientant l'axe de rotation <math>\,\Delta\,</math> et <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\big[}</math>}}autour de cet axe de rotation <math>\,\Delta\big]\,</math> d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe"> Expression ne nécessitant pas que l'axe <math>\,\Delta\,</math> soit fixe, la fixité de l'axe dans un référentiel intervenant quand ce dernier est galiléen et quand on utilise l'un des théorèmes fondamentaux de la dynamique de rotation des systèmes <math>\,\big\{</math>par exemple le théorème de l'énergie cinétique établi dans ce paragraphe mais le traavail élémentaire déveeloppé par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» ne nécessite pas que <math>\,\Delta\,</math> soit fixe<math>\big\}</math>.</ref>{{,}} <ref name="travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur un système en rotation"> Voir le paragraphe « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> {{Nobr|«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)</math>}} <math>= \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;</math>» et le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\delta W\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right] = \mathcal{P}\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right]\;dt\;</math>» puis, en faisant la somme membre à membre de façon à définir le travail élémentaire du sytème des forces extérieures s'exerçant sur le système en rotation «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)\;dt\;</math>».</ref> où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> est le moment <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» ou, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>du travail élémentaire }}avec «<math>\;\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta\;</math>» dans lequel <math>\,\theta(t)\,</math> est l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, la réécriture <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>,«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>de la variation de l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}}\;</math>» avec, l'énergie cinétique, à l'instant <math>\,t</math>, de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le cadre de la cinétique newtonienne «<math>\;K_{\text{syst. en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en rotation autour d'un axe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d’un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d’un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> avec «<math>\;J_\Delta\,</math> le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}relativement à <math>\,\Delta\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe"> Voir la notion de moment d'inertie d'un système discret ou continu dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Application_à_un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe#Application_au_cas_d'un_«_système_fermé_de_matière_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe_«_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|application d'un système fermé de matière en rotation autour d'un axe Δ fixe quelconque dans un référentiel d'étuide galiléen]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> d'où, en cinétique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> appliqué à un solide <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_solide_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d'un système }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> avec «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» et «<math>\;\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <math>\,\overline{\Omega}(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}<math>= \dot{\theta}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> encore égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>avec <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> et <math>\,\theta(t)\,</math> l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" />, sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail du moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail du }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[\theta(t)\,</math> étant l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation est égale au travail du «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[\theta}\,</math> étant l'abscisse angulaire }}à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> étant le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = 2\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)}\;</math>» <math>\,\big[</math>}}<math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] <math>\,\big(</math>photographié ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_(non_amorti)|mise en équation différentielle du mouvement du pendule de torsion (non amorti)]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Théorème_de_la_puissance_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_autour_d'un_axe_Δ_fixe_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe dans un référentiel d'étude galiléen]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. {{Al|5}}Ci-contre le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec deux fils de torsion identiques de même constante de torsion «<math>\;C\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec }}positions de masselottes identiques <math>\,\big(</math>sauf pour la couleur<math>\big)\,</math> de part et d'autre du point <math>\,C\,</math><ref name="distinction entre point d'attache des fils sur la tige et constante de torsion des fils"> On accepte la même notation pour le point d'attache des deux fils sur la tige et la constante de torsion de ces derniers tant qu'il n'y a pas d'ambiguïté <math>\,\big(</math>ce qui ne devrait jamais arriver compte-tenu du fait que ces deux grandeurs sont de nature différente<math>\big)</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec positions de masselottes identiques }}<math>\,\big(C\,</math> point d’attache des deux fils de torsion sur la tige<math>\big)</math> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre <math>\,\big(</math>en absence de masselottes<math>\big)\,</math> diffère du « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] » de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici l'extrémité supérieure <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil de torsion supérieur est mobile au lieu d'être fixe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur étant dans les deux fixe et <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici la torsion initiale est fournie par rotation propre de <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> d'un angle «<math>\;2\,\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>repéré sur le cercle gradué lié à <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}</math>, position de référence du cercle gradué<math>\big)\,</math> <math>\Rightarrow</math> en pratique, après quelques oscillations, la tige <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}acquiert la position d'équilibre repérée par l'angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>voir vérification ci-dessous<math>\big)\,</math> alors que <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] la torsion initiale est fournie par rotation de la tige d'un angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>également repéré <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>dans le pendule du chap.7 }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}\big)</math>, la position d'équilibre de la tige étant repérée par l'angle nul ; {{Al|5}}<u>vérification de la position d'équilibre de la tige dans le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}orientant les deux fils de torsion du bas vers le haut, quand la tige acquiert la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion supérieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche"> Une hélice est « droite » si le point tourne sur la gauche <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique direct ou encore dans le sens antihoraire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée et <br>{{Al|31}}elle est « gauche » si le point tourne sur la droite <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique indirect ou encore dans le sens horaire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée <br>{{Al|3}}<math>\,\big[</math>revoir aussi la distinction « hélices gauche ou droite » dans le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Mouvement_de_particules_chargées_dans_des_champs_électrique_et_magnétique_:_Cas_particulier_d'un_champ_magnétostatique_uniforme#Nature_hélicoïdale_uniforme_du_mouvement_de_la_particule|nature hélicoïdale uniforme du mouvement de la particule]] » du chap.<math>24</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> d'un angle «<math>\;\theta_1 - 2\;\theta_1 = -\theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil"> L'angle de torsion du fil qui intervient dans le vecteur moment du couple de torsion est l'angle que fait l'extrémité mobile relativement à l'extrémité maintenue fixe même si cette extrémité est fixée avec torsion initiale comme c'est le cas pour le fil supérieur <math>\,\big\{</math>on peut vérifier que cette définition correspond bien au schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » car {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{A_0B_0}\;</math>»}} est lié à l'extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil supérieur et «<math>\;\overrightarrow{AB}\;</math>» à l’extrémité mobile <math>\,C\,</math> et il en est de même pour l'éventuel fil de torsion inférieur<math>\big\}</math>.</ref> par rapport à son extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion supérieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} = -C \left( -\theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion inférieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche" /> d’un angle «<math>\;\theta_1 - 0 = \theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil" /> par rapport à l’extrémité <math>\;O_{\text{inf}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion inférieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = -C \left( \theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = -C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur la tige vérifiant «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} + \vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = \vec{0}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur }}la tige est effectivement en équilibre dans cette position <math>\;\ldots</math> {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <math>\,\big\{</math>ensemble solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC"> L'axe <math>\,\Delta_C\,</math> est le support des fils de torsion.</ref> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemb}}le solide étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles"> Repérée par rapport à la position de l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemble solide étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des masselottes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des masselottes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des masselottes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur"> L'angle de torsion du fil supérieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 2\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation"> Il s'agit de l'application de la puissance instantanée développée par un système de forces extérieures sur un solide en rotation autour d'un axe fixe <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d'un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> quand le système de forces extérieures est équivalent à un couple <math>\,\big[</math>c.-à-d. un système dont la résultante est nulle et dont le moment résultant scalaire relativement à l'axe de rotation définit le moment scalaire du couple<math>\big]</math>.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur"> L'angle de torsion du fil inférieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 0 = \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cin%C3%A9tique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d'un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;</math> est le moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et masselottes » en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_C\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre"> Ce qui suppose que <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> est non identiquement nulle <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\theta(t)\,</math> n'est pas une constante c.-à-d. que le solide n'est pas à sa position d'équilibre.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à droite «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta_1\;</math>», équation différentielle linéaire <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants sans terme du 1^er ordre hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_non_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition non énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] », la présence d'un 2^nd membre constant signifiant que le paramètre caractérisant l'oscillateur dans l'espace n'est pas nul à l'équilibre.</ref> de rotation ; {{Al|5}}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Conséquence_«_le_pendule_de_torsion_(non_amorti)_est_un_oscillateur_harmonique_non_amorti_de_rotation_»|conséquence : le pendule de torsion (non amorti) est un oscillateur harmonique non amorti de rotation]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » ; [[File:Pendule de torsion amorti - vue de dessus.png|thumb|300px|Vue de dessus d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti par substitution d'ailettes planes aux masselottes fixées sur la tige <math>\,\big(</math>les fils de torsion supérieur et inférieur <math>\,\perp\,</math> au plan de la figure ne peuvent y être représentés<math>\big)</math>]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> du }}<math>\big(</math>voir vue de dessus partielle représentée ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre étant écarté initialement comme celui de début de paragraphe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, le pendule ci-contre étant écarté initialement }}la tige acquiert donc une position d'équilibre repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}l'ensemble « tige et ailettes » étant un solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC" /> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant }}le solide est, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant le solide est, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}les actions extérieures sont <math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des ailettes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{ailettte}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des ailettes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des ailettes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{ailette}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu dans lequel se déplace le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] exercent sur les ailettes, modélisées par un <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> }}couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Couple_de_frottement_fluide_linéaire_agissant_sur_le_pendule_par_l’intermédiaire_des_ailettes|couple de frottement fluide linéaire agissant sur le pendule par l'intermédiaire des ailettes]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple }}<math>\big[H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}et du fluide sur lequel frottent les ailettes<math>\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide la puissance instantanée }}selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\,</math> est le moment d'inertie du solide « tige + ailettes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et ailettes » en rotation autour de <math>\,\Delta_C\,</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t) - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t) - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1 - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étudié «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta_1\;</math>», équation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}différentielle linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique" /> de rotation ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Loi_horaire_de_position_angulaire_du_pendule_de_torsion_amorti|loi horaire de position angulaire du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ». == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule pesant non amorti à un degré de liberté - forces extérieures.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté <math>\,\big(</math>schématisé ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_non_amorti_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_du_moment_cinétique_scalaire|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant non amorti (à un degré de liberté) par application du théorème du moment cinétique scalaire]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />. {{Al|5}}Ci-contre schéma de face du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] idéale <ref name="liaison idéale"> C.-à-d. dans laquelle on peut négliger les frottements solides.</ref> du solide en rotation autour de l’axe horizontal <math>\,\Delta_O\;</math><ref name="liaison pivot du pendule"> Pour plus de détails voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Présentation_du_pendule_pesant_(non_amorti)_«_P.P.(N.A.)_»|présentation du pendule pesant (non amorti) P.P.(N.A.)]] (liaison pivot avec le point O) » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Non Amorti.</ref> à un degré de liberté ayant un mouvement de rotation imposé par la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] du solide avec l'axe <math>\,\Delta_O</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté }}son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,O</math>, d'axe <math>\,\Delta_O\,</math> orienté par le vecteur unitaire «<math>\;\vec{u}_{\Delta_O}\;</math>» et <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,\color{transparent}{O}</math>, }}de rayon «<math>\;\mathfrak{a}\;</math>» avec, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. }}<math>G\,</math> repéré par son abscisse angulaire «<math>\;\theta_G(t) = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\overrightarrow{OG}(t) \right\rbrace} = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\vec{u}_r(t) \right\rbrace}\;</math>» <ref name="noté theta"> Noté «<math>\;\theta(t)\;</math>» par la suite en absence d'ambiguïté.</ref> ; {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = \left[ \overrightarrow{OG}(t) \wedge m\;\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_O} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids"> Le moment vectoriel du poids par rapport à <math>\,O\,</math> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)\;</math>» a établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_liaison_sphérique_et_avec_les_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b),_établissement_de_la_nature_plane_du_mouvement_du_C.D.I._G_du_P.P.(N.A.)|dans le cas d'une liaison sphérique et avec les C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), établissement de la nature plane du mouvement du C.D.I. G du P.P.(N.A.)]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] », soit «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\varphi_G}(t)\;</math>» avec <math>\,\vec{u}_{\varphi_G}\,</math> s'identifiant à <math>\,\vec{u}_{\Delta_O}</math>. <br>{{Al|3}}On pouvait aussi déterminer directement le moment scalaire du poids, le schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_«_liaison_pivot_»_ou_d’une_«_liaison_sphérique_avec_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b)_»,_nouveau_repérage_adapté_à_la_nature_rotatoire_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_à_un_degré_de_liberté|dans le cas d'une liaison pivot ou d'une liaison sphérique avec C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), nouveau repérage adapté à la nature rotatoire du mouvement du P.P.(N.A.) à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » étant fait avec le paramètre de position angulaire <math>\,\theta > 0</math>, on observe que le poids tend à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,-\,</math> avec un bras de levier <math>\,\big(</math>distance orthogonale séparant l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du support de <math>\,m\;\vec{g}\big)\,</math> égal à <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où, dans le cas où <math>\,\theta\,</math> est <math>\,> 0</math>, {{Nobr|«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)</math>}} <math>= - \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>» <math>\,\Big\{</math>le résultat est indépendant du signe de <math>\,\theta\,</math> mais si le schéma était fait avec <math>\,\theta < 0</math>, on observerait que le poids tendrait à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,+\,</math> avec un bras de levier <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = + \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = m\;g\;\left[ -\mathfrak{a}\; \sin(\theta) \right] = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>», soit effectivement le même résultat <math>\,\big[</math>avec toutefois une possibilité d'erreur si on oubliait que <math>\,\theta < 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert = -\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\big]\Big\}</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_particulier_où_M_est_en_mouvement_circulaire_d'axe_Δ_et_de_vitesse_angulaire_instantanée_Ω(t)|cas particulier où M est en mouvement circulaire d'axe Δ et de vitesse angulaire instantanée Ω(t)]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> de la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I."> Conditions Initiales.</ref> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O"> On a établi dans la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#cite_note-réduction_à_deux_composantes_de_la_réaction_dans_ces_C.I.-18|¹⁸]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » que la réaction du point <math>\,O\,</math> dans l'hypothèse d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] sur le pendule lancé dans les C.I. <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\,</math> ou <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\,</math> s'écrirait <math>\,\vec{R}(t) =</math> <math>R_{\rho_G}(t)\;\vec{u}_{\rho_G}(t) + R_z(t)\;\vec{u}_z</math>, c.-à-d. que la réaction serait dans le plan vertical de lancement soit encore «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» ; <br>{{Al|3}}on établit de même <math>\,\big[</math>sans que cela ait été exposé dans le chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> que la réaction de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le pendule quels que soient les C.I. de lancement compatibles avec la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] s'écrit «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>».</ref> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul"> En effet la force étant <math>\,\perp\,</math> à l'axe par rapport auquel son moment scalaire est évalué est de bras de levier nul.</ref> auquel s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe"> Le couple étant de moment vectoriel <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta_O</math>.</ref> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée à la date <math>\,t\,</math> par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée développée à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|7}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}sans terme du 1^er ordre ; {{Al|5}}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique"> On appelle « [[w:Solution_de_forme_fermée|solution analytique]] » d'une équation différentielle, une expression mathématique <math>\,\big(</math>souvent dite « formule explicite »<math>\big)\,</math> pouvant s'obtenir par une combinaison d'opérations et de [[w:Fonction_de_référence|fonctions de référence]] <math>\,\big(</math>c.-à-d. fonctions affines, puissances, trigonométriques et exponentielles ainsi que leurs fonctions inverses sur un domaine de définition restreint pour lequel il y a bijection et même certaines solutions d'équations différentielles dites de référence<math>\big)</math>, les opérations étant l'addition, la soustraction, la multiplication, la division et l'extraction de racines.</ref> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’élongations_angulaires_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'élongations angulaires non petites]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il est nécessaire de procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="solution analytique dans le cas d'élongations petites"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Cas_particulier_des_«_petites_élongations_angulaires_»,_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_=_oscillateur_harmonique_(non_amorti)_approché_de_rotation,_période_des_«_petites_oscillations_»|cas particulier des petites élongations angulaires, pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) oscillateur harmonique (non amorti) approché de rotation, période des petites oscillations]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. [[File:Pendule pesant amorti à un degré de liberté - forces extérieures - bis.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures, <math>\,I\,</math> étant le point où la résultante des forces de frottement fluide peut être appliquée]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti <math>\,\big(</math>voir coupe partielle représentée ci-contre<math>\big)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire" /> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I." /> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O" /> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul" /> où s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe" /> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu où se déplace le [[w:Pendule_pesant|pendule]] exercent sur ce dernier, modélisées par <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}un couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_O}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti" />{{,}} <ref name="définition de H"> <math>\,H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]], de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frotte le solide.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Amorti.</ref> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0 - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right] - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_O}}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}avec terme linéaire du 1^er ordre ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique" /> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’amplitudes_initiales_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'amplitudes initiales non petites]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il faut procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique - bis"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » nécessitant néanmoins d'ajouter le terme d'amortissement <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A." />. == « En complément », caractère conservatif du couple de torsion, énergie potentielle de torsion et conservation de l’énergie mécanique du pendule de torsion (non amorti) dans le champ de torsion du fil == {{Al|5}}Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » ne sont pas explicités dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » }}il me semble souhaitable de le retenir <math>\,\big(</math>et bien sûr d’être capable de le retrouver<math>\big)</math>. === Caractère conservatif du couple de torsion === {{Al|5}}Le travail élémentaire d’un couple de torsion s’exerçant sur un solide, de vecteur moment «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t) = -C\;\alpha(t)\;\vec{u}_\Delta\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Expression_du_vecteur_moment_du_couple_de_torsion_exercé_par_le_fil_en_fonction_de_l'angle_de_torsion_«_α(t)_»,_notion_de_constante_de_torsion_«_C_»_du_fil_de_torsion|expression du vecteur moment du couple de torsion exercé par le fil de torsion α(t), notion de constante de torsion C du fil de torsion]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> lors d’une torsion élémentaire «<math>\;d \alpha\;</math>» <ref name="définition de Delta et alpha sur le fil de torsion"> <math>\,\Delta\,</math> étant la direction du fil de torsion orienté par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et «<math>\;\alpha\;</math>» l'angle de torsion algébrisé, défini au niveau de la liaison au solide dans le plan <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta\,</math> et orienté par <math>\,\vec{u}_\Delta</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion }}étant défini selon «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>», <math>\,\big[\overline{\Omega}(t)\,</math> étant la vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt}\;</math>», <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \alpha\;</math>»<math>\big]\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> soit finalement <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon }}«<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -C\;\alpha\; d \alpha\;</math>» correspondant à une différentielle de fonction <math>\Rightarrow</math> le <u>caractère conservatif du couple de torsion</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple"> Pour montrer qu’une force est conservative, on évalue son travail élémentaire en prenant un vecteur déplacement élémentaire quelconque <math>\,\overrightarrow{dM}\,</math> à partir du point d'application <math>\,M\,</math> de la force <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#2ème_définition_(équivalente)_d'une_force_«_conservative_»|2^ème définition (équivalente) d'une force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> ; <br>{{Al|3}}lorsqu'il s’agit d'un couple de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, il faut évaluer son travail élémentaire en envisageant une rotation élémentaire quelconque autour de n'importe quelle direction, le couple est alors conservatif si ce travail élémentaire est une différentielle de fonction mais <br>{{Al|3}}{{Transparent|lorsqu'il s'agit d'un couple }}dans le cas d’un couple de torsion de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, la seule direction autour de laquelle peut s’effectuer une rotation élémentaire est celle du fil c.-à-d. celle de <math>\,\vec{\Gamma}\,</math> et par suite la seule condition pour que le couple de torsion soit conservatif est que son travail élémentaire en considérant une rotation élémentaire autour de la direction du fil de torsion soit une différentielle de fonction ou encore que « le moment scalaire du couple de torsion par rapport au fil ne dépende que de l'angle de torsion <math>\,\alpha\;</math>» C.Q.E.R. <math>\,\big(</math>Ce Qui Est Réalisé<math>\big)</math>.</ref>. === Énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion === {{Al|5}}L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,U_{\text{tors}}\,</math> dont « dérive » le couple de torsion de vecteur moment <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}est définie par «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#1ère_définition_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|1^ère définition de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> c.-à-d. «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(\alpha)\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\,</math> ou <math>\,-C\;\alpha\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <math>\Leftrightarrow</math> «<math>\;\dfrac{dU_{\text{tors}}}{d \alpha} = C\;\alpha\;</math>» soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}en intégrant «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2 + cste\;</math>» ; choisissant la référence de l’énergie potentielle de torsion <math>\;U_{\text{tors}}(\alpha)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle"> C.-à-d. l'endroit où l'énergie potentielle est choisie nulle.</ref> <br>{{Al|7}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> en intégrant «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\alpha) = 2\; C\;\alpha^2 + cste}\;</math>» ; choisissant la référence }}quand le fil n’est pas tordu c.-à-d. <math>\,U_{\text{tors}}(0) = 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = 0</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}l'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d’un fil et sa conservation en absence de frottement === [[File:Pendule de torsion sans masselottes - actions exercées.png|thumb|500px|Schéma d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] représenté sans masselottes additives et avec fil inférieur sans torsion avec ajout des actions exercées sur la tige à l'instant <math>\;t</math>]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec un seul fil de torsion, l'autre fil étant sans torsion <math>\,\big(</math>voir schéma ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec un seul fil de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}la seule action extérieure de moment scalaire non nul par rapport à la direction <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}commune du fil de torsion et du fil sans torsion <math>\;\big(</math>orientée par le vecteur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> étant le couple « conservatif » de torsion <ref name="conservativité du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Caractère_conservatif_du_couple_de_torsion|caractère conservatif du couple de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}moment vectoriel «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}} = -C\;\alpha\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion /> auquel on associe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie potentielle de torsion du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre valant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;U_{\text{tors}}(t) =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion énergie potentielle de torsion }}<math>\,\dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_torsion_du_solide_relié_au_fil_de_torsion|énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}son énergie cinétique à la date <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{pend. tors.}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique }}<math>J_{CO_{\text{sup}}}\,</math> est le moment d'inertie du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] relativement à la <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique <math>\color{transparent}{J_{CO_{\text{sup}}}}\,</math> est }}direction du fil de torsion et du fil sans torsion <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à l'instant <math>\,t\,</math> selon «<math>\;E_m(t) = K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Propriétés_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|propriétés de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] (2^ème propriété) » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha_0 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\alpha(0) = \alpha_0\;</math> et <math>\,\dot{\alpha}(0) = 0\;</math>». [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]]]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige <math>\,\big(</math>voir photographie ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec deux fils de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}il y a deux actions extérieures s'exerçant sur le solide « tige + masselottes » de moment scalaire non nul par rapport à <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}la direction commune <math>\,\Delta_C\,</math> des deux fils de torsion <math>\,\big(</math>orientée par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}élémentaire du solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}prouve le <u>caractère conservatif du couple de torsion du fil supérieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}supérieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = -d U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta = -d U_{\text{tors. sup.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. sup.}}}{d \theta} = C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\,</math> qui s'intègre en <math>\,U_{\text{tors. sup.}}</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,= \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> et, en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. sup.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du solide à l'équilibre » c.-à-d. <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre"> Revoir l'explication rappelée dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans le chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil supérieur du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta_1 - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_1 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion"> Symboliquement l'énergie potentielle d'un solide dans le champ de torsion d'un fil de torsion s'obtient, à une constante additive près, par la moitié du produit de la constante de torsion du fil et du carré de l'angle de torsion, à l'instant <math>\;t</math>, du fil au point d'attache du solide.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation élémentaire du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\; \theta(t)\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et prouve le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<u>caractère conservatif du couple de torsion du fil inférieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}inférieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = -d U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\;\theta\;d \theta = -d U_{\text{tors. inf.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. inf.}}}{d \theta} = C\; \theta\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{tors. inf.}} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} + cste_2\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. inf.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position du solide à l'équilibre » c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil inférieur du solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2} + cste_2 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_2 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}finalement l'énergie potentielle globale de torsion du solide « tige + masselottes » <math>\,\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale }}s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = U_{\text{tors. sup.}}(\theta) + U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» ou, en simplifiant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale s'écrit }}«<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2\;</math>» <ref> En effet <math>\,\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + 2\;C\; \theta_1^{\,2} + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + C\; \theta_1^{\,2} = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2</math>.</ref>{{,}} <ref> Cette énergie potentielle de torsion du solide « tige + masselottes » est la même que celle que l'on obtiendrait avec un seul fil de torsion de constante de torsion <math>\,2\,C</math>, l'autre fil étant sans torsion avec la référence en la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>.</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule ci-dessus étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «<math>\;\color{transparent}{K_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#%Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torion par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique de l'ensemble tige + masselottes) » plus haut dans ce chapitre.</ref> avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule }}<math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion des deux fils définie, à l'instant <math>\,t\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie mécanique }}«<math>\;E_m(t) = K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}\! \left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\alpha\;</math>» dans le 1^er exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] ou <br>{{Al|57}}celui «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta - \theta_1 \right]^2 \,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du 2^ème exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|même]] paragraphe <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}étant parabolique, nous retrouvons la <u>2^ème définition d’un oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math>de rotation<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_(équivalente)_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition (équivalente) énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. <br>{{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> de son mouvement dans le 2^ème exemple du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}«<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2 = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>», <br>{{Al|58}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}les C.I. <ref name="C.I." /> étant «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}est donc une <u>ellipse décrite dans le sens horaire</u> <ref name="portrait de phase d'un socillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Tracé_du_portrait_de_phase_de_la_charge_du_condensateur_d'un_«_R_L_C_série_»_soumis_à_un_échelon_de_tension_suivant_le_cœfficient_d'amortissement|propriétés des portraits de phase de la charge du condensateur d'un RLC série soumis à un échelon de tension suivant le cœfficient d'amortissement]] (cas d'un circuit oscillant non amorti en vert) » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. == Conservation de l’énergie mécanique du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) dans le champ de pesanteur uniforme == === Énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant === {{Al|5}}Dans le cas d'un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref><math>\big)</math>, le poids du solide étant la seule action extérieure travaillant et ce dernier étant conservatif <ref name="poids d'un objet conservatif"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Établissement_du_caractère_«_conservatif_»_du_poids_d'un_point_matériel_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|établissement du caractère conservatif du poids d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, }}on lui associe l'énergie potentielle de pesanteur «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta)\;</math>» <ref name="énergie potentielle de pesanteur"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#«_Énergie_potentielle_de_pesanteur_d'un_point_matériel_»_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|énergie potentielle de pesanteur d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> déterminée en intégrant «<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = -dU_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> avec <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)\,</math> travail élémentaire du poids lors d'une rotation élémentaire d'angle <math>\,d \theta = \dot{\theta}(t)\;dt\,</math> autour de <math>\,\Delta_O\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe «<math>\;\color{transparent}{\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)}\,</math>}}<math>= \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;dt = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)\;dt = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;d \theta\;</math>» <ref name="travail élémentaire du poids du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (actions extérieures exercées sur le solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> d'où <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}<math>\,-dU_{\text{pes}} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\;d \theta\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{pes}}}{d \theta}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\,</math> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right) + cste\;</math>» <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}soit, en choisissant comme référence de l'énergie potentielle <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> « la position <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}d'équilibre stable de ce dernier <ref name="équilibre stable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessous de ce dernier.</ref> <math>\,\theta_{\text{éq. stable}} = 0\;</math>» d'où <math>\,U_{\text{pes}}(0) = 0\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}<math>\Rightarrow</math> <math>\,0 = -m\;g\;\mathfrak{a} + cste\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = m\;g\;\mathfrak{a}\,</math> d'où l'expression de <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}l'énergie potentielle de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> se réécrit selon <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta \right) \right]\;</math>» <ref> Pour trouver l'expression de l'énergie potentielle de pesanteur on peut aussi utiliser <math>\,\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = m\;g\;dz_G = -dU_{\text{pes}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{pes}} = -m\;g\;z_G + cste\,</math> sachant que <math>\,z_G = \mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right)\,</math> avec pour position d'équilibre stable <math>\,z_{G,\,\text{éq. stable}} = \mathfrak{a}</math> <math>\;\ldots</math></ref> <math>\,\big(</math>référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : la position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement === {{Al|5}}Considérant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A." /><math>\big)</math>, l'énergie potentielle de pesanteur étant «<math>\;U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right] = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\,</math> avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> <math>\,\theta_{\text{équi. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P."/> » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> et <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie cinétique du solide constituant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique du solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> dans laquelle <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie cinétique}}«<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du solide par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie mécanique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> dans le champ de pesanteur «<math>\;E_m\!(t) = K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) + U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right]</math> <br>{{Al|23}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie mécanique du P.P.N.A. dans le champ de pesanteur «<math>\;\color{transparent}{E_m\!(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{P.P.N.A.}}(t) + U_{\text{pes}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P..P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\,\left[ 1 - \cos(\theta) \right]\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}n'étant pas parabolique <math>\,\big(</math>mais sinusoïdal<math>\big)</math>, nous pouvons affirmer que <u>le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> n'est pas un oscillateur harmonique</u> <math>\,\big(</math>quand il est en situation d'osciller<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <math>\blacktriangleright\;</math>« oscillatoire pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'énergie mécanique initiale du P.P.N.A. vaut «<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^2 + m\;g\; \mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta_0 \right) \right]\;</math>».</ref> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. est }}<math>\blacktriangleright\;</math>« révolutive pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="étude du mouvement d'un P.P.N.A. par diagramme d'énergies"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Étude_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_dans_le_cas_général_des_élongations_angulaires_non_petites_par_diagramme_énergétique|étude du mouvement du P.P.(N.A.) dans le cas général des élongations angulaires non petites par diagramme énergétique]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}de démontrer, avec utilisation simultanée de l'intégrale 1^ère énergétique <ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'intégrale 1^ère énergétique du P.P.N.A. s'écrit «<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^{\,2} + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet de démontrer, }}la nature « périodique <math>\,\big(</math>oscillatoire ou révolutive<math>\big)\;</math>» ainsi que <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}d’établir l’expression de la période sous forme intégrale <math>\ldots</math> {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Les [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d’un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ayant pour équation implicite l’intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\;</math><ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" /> de son mouvement lequel dépend de la valeur de l'énergie mécanique initiale <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />, <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. }}diffèrent suivant <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="différents portraits de phase d'un P.P.N.A."> Voir les paragraphes « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Tracé_des_portraits_de_phase_dans_le_cas_général_«_d'oscillations_ou_de_mouvement_révolutif_»_d'un_P.P.S._lancé_dans_les_C.I._«_1b_U_1a_»|tracé des portraits de phase dans le cas général d'oscillations ou de mouvement révolutif d'un P.P.S. lancé dans les C.I. 1b U 1a]] » du chap.<math>12</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\,\big(</math>l'allure des [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti étant la même que ceux d'un [[w:Pendule_simple|pendule simple]] non amorti<math>\big)\,</math> et « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Différents_portraits_de_phase_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté),_«_bifurcation_»_entre_mouvement_«_pendulaire_»_et_révolutif|différents portraits de phase du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté), bifurcation entre mouvement pendulaire et révolutif]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>pendulaire</u> <ref name="pendulaire"> Adjectif synonyme d'« oscillatoire ».</ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>fermé</u>, décrit dans le « <u>sens horaire</u> » <ref name="justification du sens horaire"> Ou « trigonométrique indirect », en effet « quand <math>\,\dot{\theta}\,</math> est <math>\,> 0</math>, <math>\,\theta \nearrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \nearrow\,</math> puis <math>\,\searrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule » ensuite «<math>\;\dot{\theta}\,</math> est <math>\,< 0</math>, correspondant à <math>\,\theta \searrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \searrow\,</math> puis <math>\,\nearrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule de nouveau » <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}avec le point «<math>\;\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)\;</math>» comme « <u>centre de </u>{{Nobr|<u>symétrie</u> » <ref name="justification du centre de symétrie"> Invariance de l’équation en changeant «<math>\;\theta\,</math> en <math>\,-\theta\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des vitesses angulaires <math>\,\big(</math>en fait antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>» et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Invariance de l’équation }}en changeant «<math>\;\dot{\theta}\,</math> en <math>\,-\dot{\theta}\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des abscisses angulaires <math>\,\big(</math>là encore c'est une antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|3}}l’association des deux symétries axiales <math>\,\big(</math>ou plutôt des deux antisymétries axiales<math>\big)\,</math> donnant un centre de symétrie pour l'intersection des deux axes <math>\,\big[</math>le point d'intersection des deux axes étant réellement une symétrie centrale <math>\,\big(</math>et non une antisymétrie centrale<math>\big)</math>.</ref>}} <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, avec le point «<math>\;\color{transparent}{\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)}\;</math>» }}correspondant à la position d’équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /> du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ; <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> }}<math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>révolutif</u>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>ouvert</u>, constitué de la <u>répétition du motif de l'intervalle</u><math>\;\left] -\pi\, , \, \pi \right]</math>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase }}répété <math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \nearrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} > 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 > 0\;</math>» ou <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase répété }}<math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \searrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} < 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 < 0\;</math>», <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)\;</math>» et celui avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,-\dot{\theta}_0 > 0 \right)\;</math>» <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, le portrait de phase avec C.I. «<math>\;\color{transparent}{\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)}\;</math>» }}étant <u>antisymétriques</u> l'un de l'autre, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>maxima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre stable</u> <ref name="équilibre stable du P.P." /> «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres stables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» ;<br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}\;</math>»<math>\big)\;</math> alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big)</math>.</ref> et <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>minima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre instable</u> <ref name="équilibre instable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessus de ce dernier.</ref> «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;</math> <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, les minima de<math>\;\color{transparent}{\vert \dot{\theta} \vert}\;</math>obtenus pour les positions d’équilibre instable «<math>\;\color{transparent}{\theta_{\text{éq. inst.}} =}</math> }}<math>\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres instables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = -\left( 2\;p' + 1 \right)\, \pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big[</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big]\;</math>.</ref>. == « Généralisation » à tout « solide » : « théorème de la variation de l’énergie mécanique » et la forme locale associée « le théorème de la puissance mécanique », application au cas d’un solide amorti == {{Al|5}}Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à la généralisation à tout système de points matériels ou continu de matière « indéformable » <ref name="solide au sens de la mécanique" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à }}la généralisation aux systèmes de points matériels ou continus de matière « déformables » sera faite dans le chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Lois_de_l'énergie_cinétique_pour_un_système_déformable_de_points_matériels#«_En_complément_»,_théorème_de_la_variation_de_l’énergie_mécanique_appliqué_à_un_système_de_matière_déformable_dans_le_champ_des_forces_extérieures_et_intérieures_conservatives_et_sa_forme_locale_«_le_théorème_de_la_puissance_mécanique_»|en complément : théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un système de matière déformable dans le champ des forces extérieures et intérieures conservatives et sa forme locale le théorème de la puissance mécanique]] » du chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. === Théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s’écrivant «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\bullet\;</math>celles qui sont conservatives <math>\,\big(</math>lesquelles « dérivent » d’une énergie potentielle<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{ransparent}{\bullet}\;</math>}}dont le travail pendant cette durée finie est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées }}<math>\bullet\;</math>celles qui sont non conservatives <ref name="non conservatives"> Ou, si elles sont conservatives, dont on ne considère pas le caractère « conservatif ».</ref> dont le travail pendant cette durée finie <br>{{Al|12}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>celles qui sont non conservatives dont }}est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}d'où «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou, avec «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, }}<math>\big(U_{\text{ext}}\,</math> étant l'énergie potentielle dont dérivent les forces conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, <math>\color{ransparent}{\big(}</math>}}définie à une constante additive près précisée par choix de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}<math>\Rightarrow</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» d’où la réécriture du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « solide <math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\left( \mathcal{S} \right)} + U_{\text{ext}} \right] = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» où on reconnaît dans le 1^er membre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}la variation de l’énergie mécanique «<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t) + U_{\text{ext}}\!(t)\;</math>» du solide «<math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le champ des forces conservatives sur la durée <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> dans le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où dans le champ des forces conservatives }}référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen d'où, finalement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}le lien entre la variation de l'énergie mécanique du « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;\Delta E_m = E_{m,\,\mathcal{F}} - E_{m,\,\mathcal{I}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» le lien }}le travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> sur cette même durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}«<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» applicable à un solide dans un référentiel d’étude galiléen, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}l'énoncé du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie dans un référentiel galiléen <ref> Ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. sous la forme où il existe des forces extérieures non conservatives dissipatives mais, comme le cas où toutes les forces extérieures travaillant sont conservatives est clairement explicité <math>\,\big(</math>sous la forme de la conservation de l’énergie mécanique du solide<math>\big)</math>, le cas où il existe des forces extérieures travaillant et non conservatives <math>\,\big(</math>comme des forces de frottement<math>\big)\,</math> s’appliquant à un solide peut difficilement être ignoré d'où l'ajout du théorème sous sa forme la plus générale <math>\;\ldots</math></ref>. : {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}<math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <math>\,K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation «<math>\;\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» }}égale au travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale au travail }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire dans un référentiel galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique }}se déduit aisément de sa forme sur une durée finie soit {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}conservatives <math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}<math>K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> <math>\color{transarent}{K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)}\,</math> l'énergie cinétique }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation élementaire«<math>\;d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t)\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» }}égale au travail élémentaire des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» égale au travail }}appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;d E_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide }}est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée finie ou élémentaire se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>». === Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de la puissance mécanique est la forme locale associée à la forme intégrée <ref name="forme intégrée de forme locale" /> “ théorème de la variation de l'énergie mécanique sur une durée finie ou élémentaire ” ; {{Al|5}}pour obtenir cette forme locale on écrit le théorème de la variation de l’énergie mécanique d’un solide dans le champ des forces extérieures conservatives entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math><ref> C.-à-d. la forme élémentaire du théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un solide.</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on écrit }}«<math>\;dE_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\,</math> dans un référentiel galiléen » puis, <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on divise les deux membres par <math>\,dt\,</math> soit «<math>\;\dfrac{dE_m}{dt} = \dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{dE_m}{dt}\;</math>» est la dérivée temporelle de l’énergie mécanique du solide dans le champ des forces extérieures conservatives définissant <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}la puissance mécanique du solide à l'instant <math>\,t\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives, notée «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» la puissance instantanée développée, à l'instant <math>\,t</math>, par les forces extérieures non conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}appliquées au solide notée «<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on obtient «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» d'où l'énoncé du théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen : {{Théorème|titre=Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide »|contenu = {{Al|5}}La puissance mécanique à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> <math>\big[</math>avec, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie mécanique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{ext}}(t)}\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces }}conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math>» l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique }}est égale à la puissance instantanée développée par les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique est égale à }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> au même instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide à un instant <math>\,t\,</math> quelconque se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}c.-à-d., après intégration, « la conservation de l’énergie mécanique du solide précédemment défini ». === Application au cas d’un solide amorti === {{Al|5}}Parmi les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées à un solide et travaillant, « les plus fréquentes sont dissipatives » <ref> Mais elles peuvent aussi être motrices par exemple, si nous souhaitons que les oscillations d’un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ou d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] perdurent alors qu’existent naturellement des frottements {{Nobr|<math>\,\big(</math>même}} minimes<math>\big)</math>, il est nécessaire de les entretenir à l’aide d’une force extérieure motrice compensant les forces de frottement, cette force motrice étant alors usuellement non conservative tout comme le sont les forces de frottement.</ref> comme les forces de frottement fluide <math>\,\big(</math>ou solide<math>\big)</math> ; {{Al|5}}si les seules forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> travaillant sont des forces de frottement s'exerçant sur un solide en mouvement dans un référentiel galiléen, <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces }}conservatives <ref name="théorème de la puissance mécanique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_la_puissance_mécanique_appliqué_à_un_«_solide_»|théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}s’écrivant «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{frott}}\!(t) < 0\;</math>» dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}l'énergie mécanique de ce solide «<math>\;E_m(t) \searrow\,</math> au sens strict » avec <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}</math> <math>\big(</math>il est qualifié d'« amorti »<math>\big)</math>. ==== Cas particulier du pendule de torsion amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] dont la photographie est dans un « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|paragraphe plus haut dans ce chapitre]] » mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}avec les masselottes remplacées par des ailettes comme présenté dans le schéma de vue de dessus de la « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|remarque du paragraphe précité]] », <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d'un fil et sa conservation en absence de frotemment]] (2^ème exemple) » plus haut dans ce chapitre dans lequel <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> doit être remplacée par <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})</math>.</ref> dans le référentiel <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « }}<math>\big\{</math>avec <math>\,U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> la position d'équilibre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « <math>\color{transparent}{\big\{}</math>avec <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2}\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence }}du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}on en déduit la puissance mécanique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;\dot{E}_m(t) = J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + 2\;C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]\,\dot{\theta}(t)\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}la puissance du couple de frottement fluide linéaire <math>\,\big(</math>seules forces extérieures non conservatives travaillant de moment scalaire par rapport à l'axe de rotation du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion la puissance du couple de frottement fluide linéaire <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>}}<math>\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion" />, <math>\,H\,</math> étant une constante positive <ref> Exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frottent les ailettes.</ref><math>\big)\,</math> <br>{{Al|6}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion la puissance du couple de frottement fluide linéaire }}agissant sur les ailettes du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étant «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] (remarque : actions extérieures exercées sur l'ensemble “ tige et ailettes ”) » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}le théorème de la puissance mécanique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» ou <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» ou encore, <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + 2\;C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]\,\dot{\theta}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}après simplication par <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> non identiquement nulle <ref name="hors position d'équilibre" /> et normalisation <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <ref> Identique à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <center>«<math>\;\ddot{\theta}(t) + + \dfrac{H}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta_1\;</math>».</center> ==== Cas particulier du pendule pesant à un degré de liberté amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] à un degré de liberté du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre avec des frottements fluides linéaires comme présenté dans la vue de profil de la remarque du paragraphe précité, {{Al|5}}à la force extérieure «<math>\;m\;\vec{g}\;</math>», conservative, s'exerçant sur le P.P.A. <ref name="P.P.A." /> et « dérivant » de l'énergie potentielle de pesanteur de ce dernier, à savoir «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) =</math> <math>m\;g\;\mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos(\theta) \right]\;</math>» <math>\;\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre stable du solide <math>\;\theta_{\text{éq. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P." /><math>\big)\;</math><ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, il convient d'ajouter {{Al|5}}les forces de frottement fluide linéaire dont le moment scalaire relativement à l'axe <math>\;\Delta_O\;</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t) = -H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» a été établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « Mécanique 2 (PCSI) » <math>\;\big[H\;</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du pendule, de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel il frotte<math>\big]\;</math> montre que ces forces de frottement est un système non conservatif <ref name="raison du caractère non conservatif" />, la puissance de ces forces de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\;t</math>, selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right] =</math> <math>\mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t)\;\dot{\theta}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}l'énergie mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> étant «<math>\;E_m(t) = K(t) + U_{\text{pes}}\!\left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> à l'instant <math>\;t\;</math> dans le référentiel d'étude <math>\;\mathcal{R}</math>, <math>\;\big[J_{\Delta_O}\;</math> étant le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> relativement à son axe <math>\;\Delta_O\;</math> de rotation <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /><math>\big]\;</math> on en déduit aisément, dans <math>\;\mathcal{R}\;</math> et à l'instant <math>\;t</math>, la puissance mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en formant <math>\;\dot{E}_m(t) = \dfrac{d E_m}{dt}(t)\;</math> puis {{Al|5}}l’application du théorème de la puissance mécanique au P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> nous conduit à «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right]\;</math>» ou «<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» soit encore, {{Al|5}}en explicitant la dérivée temporelle de l’énergie mécanique puis en divisant par «<math>\;\dot{\theta}\!(t)\;</math>», l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon «Mécanique 2 (PCSI)» à savoir <center>«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) + H\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>».</center> == Notes et références == <references /> {{Bas de page | idfaculté = physique | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie|Approche énergét. du mouv. d'un sol. en rotat. autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels|Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels]] }} 7ik8welrd3xgixfk8qt1ay8dvrb0shg 987948 987947 2026-10-31T23:12:11Z Phl7605 31541 /* Cas particulier du pendule de torsion amorti par frottement fluide linéaire */ 987948 wikitext text/x-wiki {{Chapitre | idfaculté = physique | numéro = 12 | niveau = 14 | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie/]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels/]] }} <center>Ce chapitre est traité dans le cadre de la dynamique newtonienne avec ajout de quelques éléments de dynamique relativiste.</center> == Théorème de l'énergie cinétique d’un système de matière, cas d’un solide en rotation autour d’un axe fixe == {{Al|5}}Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}est évidemment à connaître comme forme intégrée de la forme locale <ref name="forme intégrée de forme locale"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Lois_de_la_puissance_et_de_l'énergie_cinétiques#Différence_entre_«_forme_locale_de_la_dynamique_»_et_«_forme_intégrée_associée_à_cette_forme_locale_»|différence entre forme locale de la dynamique et forme intégrée associée à cette forme locale]] » du chap.<math>15</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> « théorème de la puissance <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}cinétique d'un système de matière » laquelle est inscrite explicitement dans le programme <math>\;\ldots</math> === Définition du travail du système des forces extérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque"> Par « système de matière quelconque » il faut entendre « système fermé discret de points matériels ou continu de matière » « déformable ou non ».</ref> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1"> A priori <math>\,N\,</math> pourrait être égal à <math>\,1\,</math> mais ce ne serait plus un système de points matériels mais un simple point matériel.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes"> C.-à-d. l’ensemble des paramètres de position et de vitesse de tous les points à l'instant de définition de l'état, tous ces paramètres permettant d’y décrire le système.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> entre }}l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Expression_du_travail_élémentaire_de_la_force_dont_le_point_d’application_subit_le_vecteur_déplacement_élémentaire_correspondant_à_la_durée_élémentaire_de_développement_de_sa_puissance|expression du travail élémentaire de la force dont le point d'application subit le vecteur déplacement élémentaire correspondant à la durée élémentaire de développement de sa puissance]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - bis"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="infiniment proches"> Instants infiniment proches.</ref>, son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité volumique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance volumique <math>\,\mathcal{P}_{\text{vol},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t)</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité surfacique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance surfacique <math>\,\mathcal{P}_{\text{surf},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) =</math>}} <math>\sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité linéique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance linéique <math>\,\mathcal{P}_{\text{lin},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right] dt\;</math>».</ref>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« chaque point <math>\,\color{transparent}{M_i}\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> entre «<math>\;\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\;</math>» }}son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\,</math> étant aussi tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces extérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces extérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" />. === Définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est également présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2"> Pour l'existence de forces intérieures appliquées à un système, <math>\,N\,</math> doit être évidemment <math>\,\geqslant\,</math> à <math>\,2</math>.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes" /> et l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" /> sachant que <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir }}le système des forces intérieures s'exerçant sur le système discret fermé de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le système des forces intérieures }}est défini comme « l'ensemble des forces <math>\,\vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t)\,</math> que chaque point <math>\,M_j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, exerce sur chaque point <math>\,M_i,\;\;i \neq j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math>» <ref name="système de forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Forces,_principe_des_actions_réciproques#Système_des_forces_intérieures_s’exerçant_sur_un_système_de_points_matériels_fermé|système des forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math> entre les instants <math>\;t\;</math> et <math>\;t + dt\;</math> selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i} \right]\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - ter"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> dans lequel, chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \mu(M')\;d \mathcal{V}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bivolumique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}}{d \mathcal{V}_{M'}\;d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \sigma(M')\;d S_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\;</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bisurfacique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}}{d S_{M'}\;d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \lambda(M')\;d \mathit{l}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\;\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bilinéique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}}{d \mathit{l}_{M'}\;d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace dt\;</math>».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces intérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces intérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière" />. {{Al|5}}<u>Remarque 1</u> : Le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures }}peut aussi être défini à partir de la puissance instantanée développée par les forces intérieures s’exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="définition de la puissance développée par les forces intérieures"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Définition_2|définition]] (de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures peut aussi être défini }}selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - tetra"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : }}le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}s'obtenant en ajoutant tous les travaux élémentaires de <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}peut se calculer à partir de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> peut se calculer }}par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>». {{Al|5}}<u>Remarque 2</u> : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math><ref name="définition du référentiel Rj"> Le référentiel «<math>\;\mathcal{R}_j\;</math>» est le référentiel lié à <math>\,M_j\,</math> en translation par rapport au référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#cite_note-puissance_des_forces_intérieures_s'exerçant_sur_système_continu_de_matière_-_ter-55|⁵⁵]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> dans le référentiel <math>\,\color{transparent}{\mathcal{R}}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}_{\text{int}}(t)}</math> }}<math>= \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Autres_expressions_équivalentes|autres expressions équivalentes]] de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj"> Le point <math>\,M_i\,</math> décrivant dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_j</math> <math>\,\big[</math>lié à <math>\,M_j\,</math> et en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\big]\,</math> une trajectoire particulière <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}\;</math> entre les deux instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t)\big]\,</math> étant tangent à <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}</math>.</ref> ou <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures «}}<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right]\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : }}de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière" />{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" />{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" />. {{Al|5}}<u>Remarque 3</u> : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nulle <ref name="puissance des forces intérieures en général non nulle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (1^ère conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu"> Système discret de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique"> Le système se comporte donc comme un solide au sens de la mécanique.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures nulle pour un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (3^ème conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = 0\;\;\forall\;t\,</math> pour <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = 0\;\;\forall\;\left[ t\,,\,t + dt \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> le devient }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = 0\;\;\forall\;\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> ». === Théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Partant du théorème de la puissance cinétique appliqué, à l'instant <math>\,t</math>, à un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Énoncé|énoncé]] du théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> dans lequel <math>\,\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math> est la puissance cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{ext}}(t)\,</math> la puissance développée par les forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\,</math> celle développée par les forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la même date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on multiplie par <math>\,dt\,</math> pour obtenir la forme élémentaire du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir la forme élémentaire }}entre «<math>\;t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\;</math>» où <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> est la variation élémentaire d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{ext}}\,</math> le travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{int}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur le même <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on intègre entre <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique }}entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec <math>\,\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\,</math> variation d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\,</math> }}sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> le travail des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> le travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> celui des forces intérieures }}sur le même <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>. {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> étant nul quel que soit le mouvement du système » <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Définition_du_travail_du_système_des_forces_intérieures_appliquées_à_un_«_système_de_matière_»_entre_un_état_initial_et_un_état_final|définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un système de matière entre un état initial et un état final]] (remarque 3) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul }}<math>\Rightarrow</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide sous sa forme élémentaire ou <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide }}sur une durée finie : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière en translation » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière"> Système fermé discret fermé de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> en translation » <ref name="système en translation"> Un « système de matière en translation » ne se déformant pas peut aussi être qualifié de « solide » au sens de la mécanique.</ref>, tous les points ont le même vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> égal à celui du C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> <math>\,G\,</math> du système, d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\!G}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <ref name="signification du travail élémentaire développé par les forces extérieures appliquées à un système en translation"> Dans cette 3^ème expression «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» est aussi « le travail élémentaire qui serait développé, sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\,t + dt \right],</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>, par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans <math>\,\mathcal{R}\;</math>» <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», ce dernier s'obtenant par application du théorème du mouvement du C.D.I. <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Principe_fondamental_de_la_dynamique_et_théorème_de_la_résultante_cinétique#Énoncé_du_théorème_(dynamique_newtonienne)|énoncé du théorème (dynamique newtonienne)]] du mouvement du C.D.I. d'un système » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> correspondant aussi à l'application de la r.f.d.n. <math>\,\big(</math>relation fondamentale de la dynamique newtonienne<math>\big)\,</math> au point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>» sur lequel s'exercerait la résultante dynamique<math>\big\}</math>.</ref> dans laquelle «<math>\;\vec{F}_{\text{ext}}(t)\;</math> est la résultante <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}«}}dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» <ref> Voir les paragraphes « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_en_translation_»|cas d'un système de matière en translation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » et « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissancce développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces intérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{int},\,\text{syst. en transl.}} = 0\;</math>» <ref name="système en translation" />{{,}} <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>de la variation élémentaire de l'énergie cinétique du système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en transl.}}\;</math>» avec «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="signification de l'énergie cinétique d'un système en translation"> Dans cette 2^ème expression «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» est aussi « l'énergie cinétique newtonienne du point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans {{Nobr|<math>\,\mathcal{R}\,</math>»}} <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», tous les points du système en translation ayant même vitesse que le C.D.I. <math>\,G\big\}</math>.</ref> l'énergie cinétique <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, dans le cadre de la cinétique newtonienne <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en translation"> Voir le paragraphe « énergie cinétique dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Cas_d'un_système_en_translation|cas d'un système en translation]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique }}appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" />{{, }} <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque dans un référentiel galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> nous obtenons : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un référentiel <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière en translation <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> étant le C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> et <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =}</math> }}la résultante dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\,</math> ou <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste"> Applicable sous cette forme dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste.</ref> avec <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="système fermé de matière" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système en translation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =</math> <math>K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail effectué par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail effectué par la résultante dynamique }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <br>{{Al|208}}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Ce théorème <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais il doit bien sûr être connu <ref> Sans doute ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. car on considère usuellement un système de matière en translation comme un point matériel <math>\,\big(</math>le C.D.I. <math>\,G\,</math> du système<math>\big)\,</math> sur lequel s'exerce la résultante dynamique du système et, selon ce point de vue, le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un système de matière en translation n'est rien d'autre que le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un point matériel, lequel est, quant à lui, au programme <math>\;\ldots</math></ref>. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}<u>Préliminaire</u> : Un « système <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » peut, a priori, se déformer <ref name="système en rotation autour d'un axe"> Par exemple, en se dilatant, c.-à-d. que chaque point du système, en plus de sa rotation autour d'un axe fixe, s'éloigne radialement de cet axe <math>\,\big(</math>la vitesse d'éloignement pouvant être différente d'un point à un autre<math>\big)\,</math> mais dans ce cas il ne s'agit pas d'une rotation « pure » <math>\;\ldots</math> <br>{{Al|3}}Pour maintenir une même vitesse angulaire à un instant <math>\,t\,</math> pour tous les points d'un « système déformable », il faut que le mouvement orthoradial de chacun des points soit corrélé au mouvement radial correspondant, avec absence de mouvement axial, c.-à-d. que, pour deux points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> tels que la droite <math>\,M_iM_j\,</math> recoupe l'axe <math>\,\Delta\,</math> perpendiculairement en <math>\,H_{i,\,j}</math>, <math>\,\big[</math>les points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> ayant donc même abscisse angulaire <math>\,\theta_{i,\,j}(t)\big]\,</math> on ait <math>\,\dot{\theta}_{i,\,j}(t) = \overline{\Omega}(t)</math> <math>\,\big[</math>donc indépendant de <math>\,\left( i\,,\, j \right)\big]\,</math> pour tout instant <math>\,t\,</math> et pour tout couple <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> dont les éléments ont même abscisse angulaire, ces conditions étant très contraignantes sont quasiment jamais réalisées naturellement <math>\;\ldots</math></ref>, toutefois, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Préliminaire : un « système <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>fermé<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » }}il est, en pratique, indéformable et est alors qualifié de « solide » au sens de la mécanique ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Préliminaire : }}l’exposé ci-dessous s'applique à un système discret <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de points matériels ou un système continu <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}<u>Exposé</u> : Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière" /> indéformable, en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe <math>\,\Delta</math>, fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen », <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}tous les points ont le même vecteur rotation instantanée <math>\,\vec{\Omega}(t) = \overline{\Omega}(t)\;\vec{u}_{\Delta}\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\big[\vec{u}_{\Delta}\,</math> étant le vecteur unitaire orientant l'axe de rotation <math>\,\Delta\,</math> et <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\big[}</math>}}autour de cet axe de rotation <math>\,\Delta\big]\,</math> d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe"> Expression ne nécessitant pas que l'axe <math>\,\Delta\,</math> soit fixe, la fixité de l'axe dans un référentiel intervenant quand ce dernier est galiléen et quand on utilise l'un des théorèmes fondamentaux de la dynamique de rotation des systèmes <math>\,\big\{</math>par exemple le théorème de l'énergie cinétique établi dans ce paragraphe mais le traavail élémentaire déveeloppé par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» ne nécessite pas que <math>\,\Delta\,</math> soit fixe<math>\big\}</math>.</ref>{{,}} <ref name="travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur un système en rotation"> Voir le paragraphe « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> {{Nobr|«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)</math>}} <math>= \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;</math>» et le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\delta W\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right] = \mathcal{P}\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right]\;dt\;</math>» puis, en faisant la somme membre à membre de façon à définir le travail élémentaire du sytème des forces extérieures s'exerçant sur le système en rotation «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)\;dt\;</math>».</ref> où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> est le moment <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» ou, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>du travail élémentaire }}avec «<math>\;\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta\;</math>» dans lequel <math>\,\theta(t)\,</math> est l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, la réécriture <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>,«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>de la variation de l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}}\;</math>» avec, l'énergie cinétique, à l'instant <math>\,t</math>, de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le cadre de la cinétique newtonienne «<math>\;K_{\text{syst. en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en rotation autour d'un axe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d’un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d’un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> avec «<math>\;J_\Delta\,</math> le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}relativement à <math>\,\Delta\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe"> Voir la notion de moment d'inertie d'un système discret ou continu dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Application_à_un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe#Application_au_cas_d'un_«_système_fermé_de_matière_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe_«_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|application d'un système fermé de matière en rotation autour d'un axe Δ fixe quelconque dans un référentiel d'étuide galiléen]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> d'où, en cinétique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> appliqué à un solide <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_solide_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d'un système }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> avec «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» et «<math>\;\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <math>\,\overline{\Omega}(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}<math>= \dot{\theta}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> encore égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>avec <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> et <math>\,\theta(t)\,</math> l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" />, sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail du moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail du }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[\theta(t)\,</math> étant l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation est égale au travail du «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[\theta}\,</math> étant l'abscisse angulaire }}à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> étant le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = 2\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)}\;</math>» <math>\,\big[</math>}}<math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] <math>\,\big(</math>photographié ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_(non_amorti)|mise en équation différentielle du mouvement du pendule de torsion (non amorti)]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Théorème_de_la_puissance_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_autour_d'un_axe_Δ_fixe_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe dans un référentiel d'étude galiléen]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. {{Al|5}}Ci-contre le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec deux fils de torsion identiques de même constante de torsion «<math>\;C\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec }}positions de masselottes identiques <math>\,\big(</math>sauf pour la couleur<math>\big)\,</math> de part et d'autre du point <math>\,C\,</math><ref name="distinction entre point d'attache des fils sur la tige et constante de torsion des fils"> On accepte la même notation pour le point d'attache des deux fils sur la tige et la constante de torsion de ces derniers tant qu'il n'y a pas d'ambiguïté <math>\,\big(</math>ce qui ne devrait jamais arriver compte-tenu du fait que ces deux grandeurs sont de nature différente<math>\big)</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec positions de masselottes identiques }}<math>\,\big(C\,</math> point d’attache des deux fils de torsion sur la tige<math>\big)</math> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre <math>\,\big(</math>en absence de masselottes<math>\big)\,</math> diffère du « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] » de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici l'extrémité supérieure <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil de torsion supérieur est mobile au lieu d'être fixe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur étant dans les deux fixe et <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici la torsion initiale est fournie par rotation propre de <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> d'un angle «<math>\;2\,\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>repéré sur le cercle gradué lié à <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}</math>, position de référence du cercle gradué<math>\big)\,</math> <math>\Rightarrow</math> en pratique, après quelques oscillations, la tige <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}acquiert la position d'équilibre repérée par l'angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>voir vérification ci-dessous<math>\big)\,</math> alors que <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] la torsion initiale est fournie par rotation de la tige d'un angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>également repéré <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>dans le pendule du chap.7 }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}\big)</math>, la position d'équilibre de la tige étant repérée par l'angle nul ; {{Al|5}}<u>vérification de la position d'équilibre de la tige dans le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}orientant les deux fils de torsion du bas vers le haut, quand la tige acquiert la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion supérieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche"> Une hélice est « droite » si le point tourne sur la gauche <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique direct ou encore dans le sens antihoraire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée et <br>{{Al|31}}elle est « gauche » si le point tourne sur la droite <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique indirect ou encore dans le sens horaire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée <br>{{Al|3}}<math>\,\big[</math>revoir aussi la distinction « hélices gauche ou droite » dans le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Mouvement_de_particules_chargées_dans_des_champs_électrique_et_magnétique_:_Cas_particulier_d'un_champ_magnétostatique_uniforme#Nature_hélicoïdale_uniforme_du_mouvement_de_la_particule|nature hélicoïdale uniforme du mouvement de la particule]] » du chap.<math>24</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> d'un angle «<math>\;\theta_1 - 2\;\theta_1 = -\theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil"> L'angle de torsion du fil qui intervient dans le vecteur moment du couple de torsion est l'angle que fait l'extrémité mobile relativement à l'extrémité maintenue fixe même si cette extrémité est fixée avec torsion initiale comme c'est le cas pour le fil supérieur <math>\,\big\{</math>on peut vérifier que cette définition correspond bien au schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » car {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{A_0B_0}\;</math>»}} est lié à l'extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil supérieur et «<math>\;\overrightarrow{AB}\;</math>» à l’extrémité mobile <math>\,C\,</math> et il en est de même pour l'éventuel fil de torsion inférieur<math>\big\}</math>.</ref> par rapport à son extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion supérieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} = -C \left( -\theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion inférieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche" /> d’un angle «<math>\;\theta_1 - 0 = \theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil" /> par rapport à l’extrémité <math>\;O_{\text{inf}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion inférieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = -C \left( \theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = -C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur la tige vérifiant «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} + \vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = \vec{0}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur }}la tige est effectivement en équilibre dans cette position <math>\;\ldots</math> {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <math>\,\big\{</math>ensemble solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC"> L'axe <math>\,\Delta_C\,</math> est le support des fils de torsion.</ref> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemb}}le solide étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles"> Repérée par rapport à la position de l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemble solide étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des masselottes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des masselottes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des masselottes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur"> L'angle de torsion du fil supérieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 2\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation"> Il s'agit de l'application de la puissance instantanée développée par un système de forces extérieures sur un solide en rotation autour d'un axe fixe <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d'un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> quand le système de forces extérieures est équivalent à un couple <math>\,\big[</math>c.-à-d. un système dont la résultante est nulle et dont le moment résultant scalaire relativement à l'axe de rotation définit le moment scalaire du couple<math>\big]</math>.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur"> L'angle de torsion du fil inférieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 0 = \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cin%C3%A9tique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d'un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;</math> est le moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et masselottes » en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_C\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre"> Ce qui suppose que <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> est non identiquement nulle <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\theta(t)\,</math> n'est pas une constante c.-à-d. que le solide n'est pas à sa position d'équilibre.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à droite «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta_1\;</math>», équation différentielle linéaire <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants sans terme du 1^er ordre hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_non_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition non énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] », la présence d'un 2^nd membre constant signifiant que le paramètre caractérisant l'oscillateur dans l'espace n'est pas nul à l'équilibre.</ref> de rotation ; {{Al|5}}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Conséquence_«_le_pendule_de_torsion_(non_amorti)_est_un_oscillateur_harmonique_non_amorti_de_rotation_»|conséquence : le pendule de torsion (non amorti) est un oscillateur harmonique non amorti de rotation]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » ; [[File:Pendule de torsion amorti - vue de dessus.png|thumb|300px|Vue de dessus d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti par substitution d'ailettes planes aux masselottes fixées sur la tige <math>\,\big(</math>les fils de torsion supérieur et inférieur <math>\,\perp\,</math> au plan de la figure ne peuvent y être représentés<math>\big)</math>]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> du }}<math>\big(</math>voir vue de dessus partielle représentée ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre étant écarté initialement comme celui de début de paragraphe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, le pendule ci-contre étant écarté initialement }}la tige acquiert donc une position d'équilibre repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}l'ensemble « tige et ailettes » étant un solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC" /> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant }}le solide est, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant le solide est, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}les actions extérieures sont <math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des ailettes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{ailettte}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des ailettes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des ailettes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{ailette}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu dans lequel se déplace le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] exercent sur les ailettes, modélisées par un <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> }}couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Couple_de_frottement_fluide_linéaire_agissant_sur_le_pendule_par_l’intermédiaire_des_ailettes|couple de frottement fluide linéaire agissant sur le pendule par l'intermédiaire des ailettes]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple }}<math>\big[H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}et du fluide sur lequel frottent les ailettes<math>\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide la puissance instantanée }}selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\,</math> est le moment d'inertie du solide « tige + ailettes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et ailettes » en rotation autour de <math>\,\Delta_C\,</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t) - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t) - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1 - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étudié «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta_1\;</math>», équation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}différentielle linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique" /> de rotation ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Loi_horaire_de_position_angulaire_du_pendule_de_torsion_amorti|loi horaire de position angulaire du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ». == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule pesant non amorti à un degré de liberté - forces extérieures.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté <math>\,\big(</math>schématisé ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_non_amorti_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_du_moment_cinétique_scalaire|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant non amorti (à un degré de liberté) par application du théorème du moment cinétique scalaire]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />. {{Al|5}}Ci-contre schéma de face du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] idéale <ref name="liaison idéale"> C.-à-d. dans laquelle on peut négliger les frottements solides.</ref> du solide en rotation autour de l’axe horizontal <math>\,\Delta_O\;</math><ref name="liaison pivot du pendule"> Pour plus de détails voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Présentation_du_pendule_pesant_(non_amorti)_«_P.P.(N.A.)_»|présentation du pendule pesant (non amorti) P.P.(N.A.)]] (liaison pivot avec le point O) » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Non Amorti.</ref> à un degré de liberté ayant un mouvement de rotation imposé par la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] du solide avec l'axe <math>\,\Delta_O</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté }}son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,O</math>, d'axe <math>\,\Delta_O\,</math> orienté par le vecteur unitaire «<math>\;\vec{u}_{\Delta_O}\;</math>» et <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,\color{transparent}{O}</math>, }}de rayon «<math>\;\mathfrak{a}\;</math>» avec, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. }}<math>G\,</math> repéré par son abscisse angulaire «<math>\;\theta_G(t) = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\overrightarrow{OG}(t) \right\rbrace} = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\vec{u}_r(t) \right\rbrace}\;</math>» <ref name="noté theta"> Noté «<math>\;\theta(t)\;</math>» par la suite en absence d'ambiguïté.</ref> ; {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = \left[ \overrightarrow{OG}(t) \wedge m\;\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_O} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids"> Le moment vectoriel du poids par rapport à <math>\,O\,</math> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)\;</math>» a établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_liaison_sphérique_et_avec_les_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b),_établissement_de_la_nature_plane_du_mouvement_du_C.D.I._G_du_P.P.(N.A.)|dans le cas d'une liaison sphérique et avec les C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), établissement de la nature plane du mouvement du C.D.I. G du P.P.(N.A.)]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] », soit «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\varphi_G}(t)\;</math>» avec <math>\,\vec{u}_{\varphi_G}\,</math> s'identifiant à <math>\,\vec{u}_{\Delta_O}</math>. <br>{{Al|3}}On pouvait aussi déterminer directement le moment scalaire du poids, le schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_«_liaison_pivot_»_ou_d’une_«_liaison_sphérique_avec_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b)_»,_nouveau_repérage_adapté_à_la_nature_rotatoire_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_à_un_degré_de_liberté|dans le cas d'une liaison pivot ou d'une liaison sphérique avec C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), nouveau repérage adapté à la nature rotatoire du mouvement du P.P.(N.A.) à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » étant fait avec le paramètre de position angulaire <math>\,\theta > 0</math>, on observe que le poids tend à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,-\,</math> avec un bras de levier <math>\,\big(</math>distance orthogonale séparant l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du support de <math>\,m\;\vec{g}\big)\,</math> égal à <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où, dans le cas où <math>\,\theta\,</math> est <math>\,> 0</math>, {{Nobr|«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)</math>}} <math>= - \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>» <math>\,\Big\{</math>le résultat est indépendant du signe de <math>\,\theta\,</math> mais si le schéma était fait avec <math>\,\theta < 0</math>, on observerait que le poids tendrait à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,+\,</math> avec un bras de levier <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = + \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = m\;g\;\left[ -\mathfrak{a}\; \sin(\theta) \right] = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>», soit effectivement le même résultat <math>\,\big[</math>avec toutefois une possibilité d'erreur si on oubliait que <math>\,\theta < 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert = -\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\big]\Big\}</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_particulier_où_M_est_en_mouvement_circulaire_d'axe_Δ_et_de_vitesse_angulaire_instantanée_Ω(t)|cas particulier où M est en mouvement circulaire d'axe Δ et de vitesse angulaire instantanée Ω(t)]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> de la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I."> Conditions Initiales.</ref> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O"> On a établi dans la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#cite_note-réduction_à_deux_composantes_de_la_réaction_dans_ces_C.I.-18|¹⁸]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » que la réaction du point <math>\,O\,</math> dans l'hypothèse d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] sur le pendule lancé dans les C.I. <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\,</math> ou <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\,</math> s'écrirait <math>\,\vec{R}(t) =</math> <math>R_{\rho_G}(t)\;\vec{u}_{\rho_G}(t) + R_z(t)\;\vec{u}_z</math>, c.-à-d. que la réaction serait dans le plan vertical de lancement soit encore «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» ; <br>{{Al|3}}on établit de même <math>\,\big[</math>sans que cela ait été exposé dans le chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> que la réaction de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le pendule quels que soient les C.I. de lancement compatibles avec la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] s'écrit «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>».</ref> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul"> En effet la force étant <math>\,\perp\,</math> à l'axe par rapport auquel son moment scalaire est évalué est de bras de levier nul.</ref> auquel s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe"> Le couple étant de moment vectoriel <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta_O</math>.</ref> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée à la date <math>\,t\,</math> par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée développée à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|7}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}sans terme du 1^er ordre ; {{Al|5}}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique"> On appelle « [[w:Solution_de_forme_fermée|solution analytique]] » d'une équation différentielle, une expression mathématique <math>\,\big(</math>souvent dite « formule explicite »<math>\big)\,</math> pouvant s'obtenir par une combinaison d'opérations et de [[w:Fonction_de_référence|fonctions de référence]] <math>\,\big(</math>c.-à-d. fonctions affines, puissances, trigonométriques et exponentielles ainsi que leurs fonctions inverses sur un domaine de définition restreint pour lequel il y a bijection et même certaines solutions d'équations différentielles dites de référence<math>\big)</math>, les opérations étant l'addition, la soustraction, la multiplication, la division et l'extraction de racines.</ref> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’élongations_angulaires_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'élongations angulaires non petites]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il est nécessaire de procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="solution analytique dans le cas d'élongations petites"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Cas_particulier_des_«_petites_élongations_angulaires_»,_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_=_oscillateur_harmonique_(non_amorti)_approché_de_rotation,_période_des_«_petites_oscillations_»|cas particulier des petites élongations angulaires, pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) oscillateur harmonique (non amorti) approché de rotation, période des petites oscillations]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. [[File:Pendule pesant amorti à un degré de liberté - forces extérieures - bis.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures, <math>\,I\,</math> étant le point où la résultante des forces de frottement fluide peut être appliquée]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti <math>\,\big(</math>voir coupe partielle représentée ci-contre<math>\big)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire" /> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I." /> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O" /> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul" /> où s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe" /> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu où se déplace le [[w:Pendule_pesant|pendule]] exercent sur ce dernier, modélisées par <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}un couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_O}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti" />{{,}} <ref name="définition de H"> <math>\,H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]], de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frotte le solide.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Amorti.</ref> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0 - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right] - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_O}}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}avec terme linéaire du 1^er ordre ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique" /> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’amplitudes_initiales_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'amplitudes initiales non petites]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il faut procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique - bis"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » nécessitant néanmoins d'ajouter le terme d'amortissement <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A." />. == « En complément », caractère conservatif du couple de torsion, énergie potentielle de torsion et conservation de l’énergie mécanique du pendule de torsion (non amorti) dans le champ de torsion du fil == {{Al|5}}Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » ne sont pas explicités dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » }}il me semble souhaitable de le retenir <math>\,\big(</math>et bien sûr d’être capable de le retrouver<math>\big)</math>. === Caractère conservatif du couple de torsion === {{Al|5}}Le travail élémentaire d’un couple de torsion s’exerçant sur un solide, de vecteur moment «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t) = -C\;\alpha(t)\;\vec{u}_\Delta\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Expression_du_vecteur_moment_du_couple_de_torsion_exercé_par_le_fil_en_fonction_de_l'angle_de_torsion_«_α(t)_»,_notion_de_constante_de_torsion_«_C_»_du_fil_de_torsion|expression du vecteur moment du couple de torsion exercé par le fil de torsion α(t), notion de constante de torsion C du fil de torsion]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> lors d’une torsion élémentaire «<math>\;d \alpha\;</math>» <ref name="définition de Delta et alpha sur le fil de torsion"> <math>\,\Delta\,</math> étant la direction du fil de torsion orienté par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et «<math>\;\alpha\;</math>» l'angle de torsion algébrisé, défini au niveau de la liaison au solide dans le plan <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta\,</math> et orienté par <math>\,\vec{u}_\Delta</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion }}étant défini selon «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>», <math>\,\big[\overline{\Omega}(t)\,</math> étant la vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt}\;</math>», <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \alpha\;</math>»<math>\big]\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> soit finalement <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon }}«<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -C\;\alpha\; d \alpha\;</math>» correspondant à une différentielle de fonction <math>\Rightarrow</math> le <u>caractère conservatif du couple de torsion</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple"> Pour montrer qu’une force est conservative, on évalue son travail élémentaire en prenant un vecteur déplacement élémentaire quelconque <math>\,\overrightarrow{dM}\,</math> à partir du point d'application <math>\,M\,</math> de la force <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#2ème_définition_(équivalente)_d'une_force_«_conservative_»|2^ème définition (équivalente) d'une force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> ; <br>{{Al|3}}lorsqu'il s’agit d'un couple de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, il faut évaluer son travail élémentaire en envisageant une rotation élémentaire quelconque autour de n'importe quelle direction, le couple est alors conservatif si ce travail élémentaire est une différentielle de fonction mais <br>{{Al|3}}{{Transparent|lorsqu'il s'agit d'un couple }}dans le cas d’un couple de torsion de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, la seule direction autour de laquelle peut s’effectuer une rotation élémentaire est celle du fil c.-à-d. celle de <math>\,\vec{\Gamma}\,</math> et par suite la seule condition pour que le couple de torsion soit conservatif est que son travail élémentaire en considérant une rotation élémentaire autour de la direction du fil de torsion soit une différentielle de fonction ou encore que « le moment scalaire du couple de torsion par rapport au fil ne dépende que de l'angle de torsion <math>\,\alpha\;</math>» C.Q.E.R. <math>\,\big(</math>Ce Qui Est Réalisé<math>\big)</math>.</ref>. === Énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion === {{Al|5}}L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,U_{\text{tors}}\,</math> dont « dérive » le couple de torsion de vecteur moment <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}est définie par «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#1ère_définition_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|1^ère définition de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> c.-à-d. «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(\alpha)\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\,</math> ou <math>\,-C\;\alpha\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <math>\Leftrightarrow</math> «<math>\;\dfrac{dU_{\text{tors}}}{d \alpha} = C\;\alpha\;</math>» soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}en intégrant «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2 + cste\;</math>» ; choisissant la référence de l’énergie potentielle de torsion <math>\;U_{\text{tors}}(\alpha)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle"> C.-à-d. l'endroit où l'énergie potentielle est choisie nulle.</ref> <br>{{Al|7}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> en intégrant «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\alpha) = 2\; C\;\alpha^2 + cste}\;</math>» ; choisissant la référence }}quand le fil n’est pas tordu c.-à-d. <math>\,U_{\text{tors}}(0) = 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = 0</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}l'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d’un fil et sa conservation en absence de frottement === [[File:Pendule de torsion sans masselottes - actions exercées.png|thumb|500px|Schéma d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] représenté sans masselottes additives et avec fil inférieur sans torsion avec ajout des actions exercées sur la tige à l'instant <math>\;t</math>]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec un seul fil de torsion, l'autre fil étant sans torsion <math>\,\big(</math>voir schéma ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec un seul fil de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}la seule action extérieure de moment scalaire non nul par rapport à la direction <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}commune du fil de torsion et du fil sans torsion <math>\;\big(</math>orientée par le vecteur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> étant le couple « conservatif » de torsion <ref name="conservativité du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Caractère_conservatif_du_couple_de_torsion|caractère conservatif du couple de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}moment vectoriel «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}} = -C\;\alpha\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion /> auquel on associe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie potentielle de torsion du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre valant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;U_{\text{tors}}(t) =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion énergie potentielle de torsion }}<math>\,\dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_torsion_du_solide_relié_au_fil_de_torsion|énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}son énergie cinétique à la date <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{pend. tors.}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique }}<math>J_{CO_{\text{sup}}}\,</math> est le moment d'inertie du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] relativement à la <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique <math>\color{transparent}{J_{CO_{\text{sup}}}}\,</math> est }}direction du fil de torsion et du fil sans torsion <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à l'instant <math>\,t\,</math> selon «<math>\;E_m(t) = K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Propriétés_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|propriétés de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] (2^ème propriété) » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha_0 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\alpha(0) = \alpha_0\;</math> et <math>\,\dot{\alpha}(0) = 0\;</math>». [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]]]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige <math>\,\big(</math>voir photographie ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec deux fils de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}il y a deux actions extérieures s'exerçant sur le solide « tige + masselottes » de moment scalaire non nul par rapport à <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}la direction commune <math>\,\Delta_C\,</math> des deux fils de torsion <math>\,\big(</math>orientée par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}élémentaire du solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}prouve le <u>caractère conservatif du couple de torsion du fil supérieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}supérieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = -d U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta = -d U_{\text{tors. sup.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. sup.}}}{d \theta} = C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\,</math> qui s'intègre en <math>\,U_{\text{tors. sup.}}</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,= \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> et, en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. sup.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du solide à l'équilibre » c.-à-d. <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre"> Revoir l'explication rappelée dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans le chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil supérieur du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta_1 - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_1 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion"> Symboliquement l'énergie potentielle d'un solide dans le champ de torsion d'un fil de torsion s'obtient, à une constante additive près, par la moitié du produit de la constante de torsion du fil et du carré de l'angle de torsion, à l'instant <math>\;t</math>, du fil au point d'attache du solide.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation élémentaire du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\; \theta(t)\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et prouve le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<u>caractère conservatif du couple de torsion du fil inférieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}inférieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = -d U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\;\theta\;d \theta = -d U_{\text{tors. inf.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. inf.}}}{d \theta} = C\; \theta\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{tors. inf.}} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} + cste_2\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. inf.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position du solide à l'équilibre » c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil inférieur du solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2} + cste_2 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_2 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}finalement l'énergie potentielle globale de torsion du solide « tige + masselottes » <math>\,\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale }}s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = U_{\text{tors. sup.}}(\theta) + U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» ou, en simplifiant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale s'écrit }}«<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2\;</math>» <ref> En effet <math>\,\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + 2\;C\; \theta_1^{\,2} + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + C\; \theta_1^{\,2} = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2</math>.</ref>{{,}} <ref> Cette énergie potentielle de torsion du solide « tige + masselottes » est la même que celle que l'on obtiendrait avec un seul fil de torsion de constante de torsion <math>\,2\,C</math>, l'autre fil étant sans torsion avec la référence en la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>.</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule ci-dessus étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «<math>\;\color{transparent}{K_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#%Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torion par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique de l'ensemble tige + masselottes) » plus haut dans ce chapitre.</ref> avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule }}<math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion des deux fils définie, à l'instant <math>\,t\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie mécanique }}«<math>\;E_m(t) = K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}\! \left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\alpha\;</math>» dans le 1^er exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] ou <br>{{Al|57}}celui «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta - \theta_1 \right]^2 \,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du 2^ème exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|même]] paragraphe <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}étant parabolique, nous retrouvons la <u>2^ème définition d’un oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math>de rotation<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_(équivalente)_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition (équivalente) énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. <br>{{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> de son mouvement dans le 2^ème exemple du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}«<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2 = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>», <br>{{Al|58}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}les C.I. <ref name="C.I." /> étant «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}est donc une <u>ellipse décrite dans le sens horaire</u> <ref name="portrait de phase d'un socillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Tracé_du_portrait_de_phase_de_la_charge_du_condensateur_d'un_«_R_L_C_série_»_soumis_à_un_échelon_de_tension_suivant_le_cœfficient_d'amortissement|propriétés des portraits de phase de la charge du condensateur d'un RLC série soumis à un échelon de tension suivant le cœfficient d'amortissement]] (cas d'un circuit oscillant non amorti en vert) » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. == Conservation de l’énergie mécanique du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) dans le champ de pesanteur uniforme == === Énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant === {{Al|5}}Dans le cas d'un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref><math>\big)</math>, le poids du solide étant la seule action extérieure travaillant et ce dernier étant conservatif <ref name="poids d'un objet conservatif"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Établissement_du_caractère_«_conservatif_»_du_poids_d'un_point_matériel_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|établissement du caractère conservatif du poids d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, }}on lui associe l'énergie potentielle de pesanteur «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta)\;</math>» <ref name="énergie potentielle de pesanteur"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#«_Énergie_potentielle_de_pesanteur_d'un_point_matériel_»_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|énergie potentielle de pesanteur d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> déterminée en intégrant «<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = -dU_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> avec <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)\,</math> travail élémentaire du poids lors d'une rotation élémentaire d'angle <math>\,d \theta = \dot{\theta}(t)\;dt\,</math> autour de <math>\,\Delta_O\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe «<math>\;\color{transparent}{\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)}\,</math>}}<math>= \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;dt = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)\;dt = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;d \theta\;</math>» <ref name="travail élémentaire du poids du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (actions extérieures exercées sur le solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> d'où <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}<math>\,-dU_{\text{pes}} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\;d \theta\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{pes}}}{d \theta}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\,</math> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right) + cste\;</math>» <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}soit, en choisissant comme référence de l'énergie potentielle <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> « la position <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}d'équilibre stable de ce dernier <ref name="équilibre stable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessous de ce dernier.</ref> <math>\,\theta_{\text{éq. stable}} = 0\;</math>» d'où <math>\,U_{\text{pes}}(0) = 0\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}<math>\Rightarrow</math> <math>\,0 = -m\;g\;\mathfrak{a} + cste\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = m\;g\;\mathfrak{a}\,</math> d'où l'expression de <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}l'énergie potentielle de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> se réécrit selon <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta \right) \right]\;</math>» <ref> Pour trouver l'expression de l'énergie potentielle de pesanteur on peut aussi utiliser <math>\,\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = m\;g\;dz_G = -dU_{\text{pes}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{pes}} = -m\;g\;z_G + cste\,</math> sachant que <math>\,z_G = \mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right)\,</math> avec pour position d'équilibre stable <math>\,z_{G,\,\text{éq. stable}} = \mathfrak{a}</math> <math>\;\ldots</math></ref> <math>\,\big(</math>référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : la position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement === {{Al|5}}Considérant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A." /><math>\big)</math>, l'énergie potentielle de pesanteur étant «<math>\;U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right] = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\,</math> avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> <math>\,\theta_{\text{équi. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P."/> » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> et <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie cinétique du solide constituant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique du solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> dans laquelle <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie cinétique}}«<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du solide par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie mécanique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> dans le champ de pesanteur «<math>\;E_m\!(t) = K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) + U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right]</math> <br>{{Al|23}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie mécanique du P.P.N.A. dans le champ de pesanteur «<math>\;\color{transparent}{E_m\!(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{P.P.N.A.}}(t) + U_{\text{pes}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P..P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\,\left[ 1 - \cos(\theta) \right]\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}n'étant pas parabolique <math>\,\big(</math>mais sinusoïdal<math>\big)</math>, nous pouvons affirmer que <u>le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> n'est pas un oscillateur harmonique</u> <math>\,\big(</math>quand il est en situation d'osciller<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <math>\blacktriangleright\;</math>« oscillatoire pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'énergie mécanique initiale du P.P.N.A. vaut «<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^2 + m\;g\; \mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta_0 \right) \right]\;</math>».</ref> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. est }}<math>\blacktriangleright\;</math>« révolutive pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="étude du mouvement d'un P.P.N.A. par diagramme d'énergies"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Étude_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_dans_le_cas_général_des_élongations_angulaires_non_petites_par_diagramme_énergétique|étude du mouvement du P.P.(N.A.) dans le cas général des élongations angulaires non petites par diagramme énergétique]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}de démontrer, avec utilisation simultanée de l'intégrale 1^ère énergétique <ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'intégrale 1^ère énergétique du P.P.N.A. s'écrit «<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^{\,2} + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet de démontrer, }}la nature « périodique <math>\,\big(</math>oscillatoire ou révolutive<math>\big)\;</math>» ainsi que <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}d’établir l’expression de la période sous forme intégrale <math>\ldots</math> {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Les [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d’un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ayant pour équation implicite l’intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\;</math><ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" /> de son mouvement lequel dépend de la valeur de l'énergie mécanique initiale <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />, <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. }}diffèrent suivant <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="différents portraits de phase d'un P.P.N.A."> Voir les paragraphes « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Tracé_des_portraits_de_phase_dans_le_cas_général_«_d'oscillations_ou_de_mouvement_révolutif_»_d'un_P.P.S._lancé_dans_les_C.I._«_1b_U_1a_»|tracé des portraits de phase dans le cas général d'oscillations ou de mouvement révolutif d'un P.P.S. lancé dans les C.I. 1b U 1a]] » du chap.<math>12</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\,\big(</math>l'allure des [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti étant la même que ceux d'un [[w:Pendule_simple|pendule simple]] non amorti<math>\big)\,</math> et « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Différents_portraits_de_phase_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté),_«_bifurcation_»_entre_mouvement_«_pendulaire_»_et_révolutif|différents portraits de phase du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté), bifurcation entre mouvement pendulaire et révolutif]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>pendulaire</u> <ref name="pendulaire"> Adjectif synonyme d'« oscillatoire ».</ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>fermé</u>, décrit dans le « <u>sens horaire</u> » <ref name="justification du sens horaire"> Ou « trigonométrique indirect », en effet « quand <math>\,\dot{\theta}\,</math> est <math>\,> 0</math>, <math>\,\theta \nearrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \nearrow\,</math> puis <math>\,\searrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule » ensuite «<math>\;\dot{\theta}\,</math> est <math>\,< 0</math>, correspondant à <math>\,\theta \searrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \searrow\,</math> puis <math>\,\nearrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule de nouveau » <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}avec le point «<math>\;\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)\;</math>» comme « <u>centre de </u>{{Nobr|<u>symétrie</u> » <ref name="justification du centre de symétrie"> Invariance de l’équation en changeant «<math>\;\theta\,</math> en <math>\,-\theta\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des vitesses angulaires <math>\,\big(</math>en fait antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>» et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Invariance de l’équation }}en changeant «<math>\;\dot{\theta}\,</math> en <math>\,-\dot{\theta}\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des abscisses angulaires <math>\,\big(</math>là encore c'est une antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|3}}l’association des deux symétries axiales <math>\,\big(</math>ou plutôt des deux antisymétries axiales<math>\big)\,</math> donnant un centre de symétrie pour l'intersection des deux axes <math>\,\big[</math>le point d'intersection des deux axes étant réellement une symétrie centrale <math>\,\big(</math>et non une antisymétrie centrale<math>\big)</math>.</ref>}} <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, avec le point «<math>\;\color{transparent}{\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)}\;</math>» }}correspondant à la position d’équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /> du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ; <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> }}<math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>révolutif</u>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>ouvert</u>, constitué de la <u>répétition du motif de l'intervalle</u><math>\;\left] -\pi\, , \, \pi \right]</math>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase }}répété <math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \nearrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} > 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 > 0\;</math>» ou <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase répété }}<math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \searrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} < 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 < 0\;</math>», <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)\;</math>» et celui avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,-\dot{\theta}_0 > 0 \right)\;</math>» <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, le portrait de phase avec C.I. «<math>\;\color{transparent}{\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)}\;</math>» }}étant <u>antisymétriques</u> l'un de l'autre, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>maxima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre stable</u> <ref name="équilibre stable du P.P." /> «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres stables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» ;<br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}\;</math>»<math>\big)\;</math> alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big)</math>.</ref> et <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>minima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre instable</u> <ref name="équilibre instable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessus de ce dernier.</ref> «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;</math> <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, les minima de<math>\;\color{transparent}{\vert \dot{\theta} \vert}\;</math>obtenus pour les positions d’équilibre instable «<math>\;\color{transparent}{\theta_{\text{éq. inst.}} =}</math> }}<math>\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres instables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = -\left( 2\;p' + 1 \right)\, \pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big[</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big]\;</math>.</ref>. == « Généralisation » à tout « solide » : « théorème de la variation de l’énergie mécanique » et la forme locale associée « le théorème de la puissance mécanique », application au cas d’un solide amorti == {{Al|5}}Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à la généralisation à tout système de points matériels ou continu de matière « indéformable » <ref name="solide au sens de la mécanique" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à }}la généralisation aux systèmes de points matériels ou continus de matière « déformables » sera faite dans le chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Lois_de_l'énergie_cinétique_pour_un_système_déformable_de_points_matériels#«_En_complément_»,_théorème_de_la_variation_de_l’énergie_mécanique_appliqué_à_un_système_de_matière_déformable_dans_le_champ_des_forces_extérieures_et_intérieures_conservatives_et_sa_forme_locale_«_le_théorème_de_la_puissance_mécanique_»|en complément : théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un système de matière déformable dans le champ des forces extérieures et intérieures conservatives et sa forme locale le théorème de la puissance mécanique]] » du chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. === Théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s’écrivant «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\bullet\;</math>celles qui sont conservatives <math>\,\big(</math>lesquelles « dérivent » d’une énergie potentielle<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{ransparent}{\bullet}\;</math>}}dont le travail pendant cette durée finie est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées }}<math>\bullet\;</math>celles qui sont non conservatives <ref name="non conservatives"> Ou, si elles sont conservatives, dont on ne considère pas le caractère « conservatif ».</ref> dont le travail pendant cette durée finie <br>{{Al|12}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>celles qui sont non conservatives dont }}est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}d'où «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou, avec «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, }}<math>\big(U_{\text{ext}}\,</math> étant l'énergie potentielle dont dérivent les forces conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, <math>\color{ransparent}{\big(}</math>}}définie à une constante additive près précisée par choix de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}<math>\Rightarrow</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» d’où la réécriture du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « solide <math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\left( \mathcal{S} \right)} + U_{\text{ext}} \right] = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» où on reconnaît dans le 1^er membre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}la variation de l’énergie mécanique «<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t) + U_{\text{ext}}\!(t)\;</math>» du solide «<math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le champ des forces conservatives sur la durée <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> dans le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où dans le champ des forces conservatives }}référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen d'où, finalement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}le lien entre la variation de l'énergie mécanique du « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;\Delta E_m = E_{m,\,\mathcal{F}} - E_{m,\,\mathcal{I}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» le lien }}le travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> sur cette même durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}«<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» applicable à un solide dans un référentiel d’étude galiléen, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}l'énoncé du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie dans un référentiel galiléen <ref> Ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. sous la forme où il existe des forces extérieures non conservatives dissipatives mais, comme le cas où toutes les forces extérieures travaillant sont conservatives est clairement explicité <math>\,\big(</math>sous la forme de la conservation de l’énergie mécanique du solide<math>\big)</math>, le cas où il existe des forces extérieures travaillant et non conservatives <math>\,\big(</math>comme des forces de frottement<math>\big)\,</math> s’appliquant à un solide peut difficilement être ignoré d'où l'ajout du théorème sous sa forme la plus générale <math>\;\ldots</math></ref>. : {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}<math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <math>\,K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation «<math>\;\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» }}égale au travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale au travail }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire dans un référentiel galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique }}se déduit aisément de sa forme sur une durée finie soit {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}conservatives <math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}<math>K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> <math>\color{transarent}{K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)}\,</math> l'énergie cinétique }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation élementaire«<math>\;d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t)\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» }}égale au travail élémentaire des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» égale au travail }}appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;d E_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide }}est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée finie ou élémentaire se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>». === Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de la puissance mécanique est la forme locale associée à la forme intégrée <ref name="forme intégrée de forme locale" /> “ théorème de la variation de l'énergie mécanique sur une durée finie ou élémentaire ” ; {{Al|5}}pour obtenir cette forme locale on écrit le théorème de la variation de l’énergie mécanique d’un solide dans le champ des forces extérieures conservatives entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math><ref> C.-à-d. la forme élémentaire du théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un solide.</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on écrit }}«<math>\;dE_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\,</math> dans un référentiel galiléen » puis, <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on divise les deux membres par <math>\,dt\,</math> soit «<math>\;\dfrac{dE_m}{dt} = \dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{dE_m}{dt}\;</math>» est la dérivée temporelle de l’énergie mécanique du solide dans le champ des forces extérieures conservatives définissant <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}la puissance mécanique du solide à l'instant <math>\,t\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives, notée «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» la puissance instantanée développée, à l'instant <math>\,t</math>, par les forces extérieures non conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}appliquées au solide notée «<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on obtient «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» d'où l'énoncé du théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen : {{Théorème|titre=Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide »|contenu = {{Al|5}}La puissance mécanique à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> <math>\big[</math>avec, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie mécanique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{ext}}(t)}\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces }}conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math>» l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique }}est égale à la puissance instantanée développée par les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique est égale à }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> au même instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide à un instant <math>\,t\,</math> quelconque se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}c.-à-d., après intégration, « la conservation de l’énergie mécanique du solide précédemment défini ». === Application au cas d’un solide amorti === {{Al|5}}Parmi les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées à un solide et travaillant, « les plus fréquentes sont dissipatives » <ref> Mais elles peuvent aussi être motrices par exemple, si nous souhaitons que les oscillations d’un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ou d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] perdurent alors qu’existent naturellement des frottements {{Nobr|<math>\,\big(</math>même}} minimes<math>\big)</math>, il est nécessaire de les entretenir à l’aide d’une force extérieure motrice compensant les forces de frottement, cette force motrice étant alors usuellement non conservative tout comme le sont les forces de frottement.</ref> comme les forces de frottement fluide <math>\,\big(</math>ou solide<math>\big)</math> ; {{Al|5}}si les seules forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> travaillant sont des forces de frottement s'exerçant sur un solide en mouvement dans un référentiel galiléen, <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces }}conservatives <ref name="théorème de la puissance mécanique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_la_puissance_mécanique_appliqué_à_un_«_solide_»|théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}s’écrivant «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{frott}}\!(t) < 0\;</math>» dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}l'énergie mécanique de ce solide «<math>\;E_m(t) \searrow\,</math> au sens strict » avec <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}</math> <math>\big(</math>il est qualifié d'« amorti »<math>\big)</math>. ==== Cas particulier du pendule de torsion amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] dont la photographie est dans un « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|paragraphe plus haut dans ce chapitre]] » mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}avec les masselottes remplacées par des ailettes comme présenté dans le schéma de vue de dessus de la « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|remarque du paragraphe précité]] », <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d'un fil et sa conservation en absence de frotemment]] (2^ème exemple) » plus haut dans ce chapitre dans lequel <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> doit être remplacée par <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})</math>.</ref> dans le référentiel <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « }}<math>\big\{</math>avec <math>\,U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> la position d'équilibre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « <math>\color{transparent}{\big\{}</math>avec <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2}\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence }}du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}on en déduit la puissance mécanique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;\dot{E}_m(t) = J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + 2\;C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]\,\dot{\theta}(t)\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}la puissance du couple de frottement fluide linéaire <math>\,\big(</math>seules forces extérieures non conservatives travaillant de moment scalaire par rapport à l'axe de rotation du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion la puissance du couple de frottement fluide linéaire <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>}}<math>\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion" />, <math>\,H\,</math> étant une constante positive <ref> Exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frottent les ailettes.</ref><math>\big)\,</math> <br>{{Al|6}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion la puissance du couple de frottement fluide linéaire }}agissant sur les ailettes du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étant «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] (remarque : actions extérieures exercées sur l'ensemble “ tige et ailettes ”) » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}le théorème de la puissance mécanique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» ou <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» ou encore, <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + 2\;C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]\,\dot{\theta}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}après simplication par <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> non identiquement nulle <ref name="hors position d'équilibre" /> et normalisation <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <ref> Identique à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Identique }}à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] (2^ème exemple où les masselottes sont remplacées par des ailettes) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <center>«<math>\;\ddot{\theta}(t) + + \dfrac{H}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta_1\;</math>».</center> ==== Cas particulier du pendule pesant à un degré de liberté amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] à un degré de liberté du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre avec des frottements fluides linéaires comme présenté dans la vue de profil de la remarque du paragraphe précité, {{Al|5}}à la force extérieure «<math>\;m\;\vec{g}\;</math>», conservative, s'exerçant sur le P.P.A. <ref name="P.P.A." /> et « dérivant » de l'énergie potentielle de pesanteur de ce dernier, à savoir «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) =</math> <math>m\;g\;\mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos(\theta) \right]\;</math>» <math>\;\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre stable du solide <math>\;\theta_{\text{éq. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P." /><math>\big)\;</math><ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, il convient d'ajouter {{Al|5}}les forces de frottement fluide linéaire dont le moment scalaire relativement à l'axe <math>\;\Delta_O\;</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t) = -H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» a été établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « Mécanique 2 (PCSI) » <math>\;\big[H\;</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du pendule, de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel il frotte<math>\big]\;</math> montre que ces forces de frottement est un système non conservatif <ref name="raison du caractère non conservatif" />, la puissance de ces forces de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\;t</math>, selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right] =</math> <math>\mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t)\;\dot{\theta}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}l'énergie mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> étant «<math>\;E_m(t) = K(t) + U_{\text{pes}}\!\left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> à l'instant <math>\;t\;</math> dans le référentiel d'étude <math>\;\mathcal{R}</math>, <math>\;\big[J_{\Delta_O}\;</math> étant le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> relativement à son axe <math>\;\Delta_O\;</math> de rotation <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /><math>\big]\;</math> on en déduit aisément, dans <math>\;\mathcal{R}\;</math> et à l'instant <math>\;t</math>, la puissance mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en formant <math>\;\dot{E}_m(t) = \dfrac{d E_m}{dt}(t)\;</math> puis {{Al|5}}l’application du théorème de la puissance mécanique au P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> nous conduit à «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right]\;</math>» ou «<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» soit encore, {{Al|5}}en explicitant la dérivée temporelle de l’énergie mécanique puis en divisant par «<math>\;\dot{\theta}\!(t)\;</math>», l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon «Mécanique 2 (PCSI)» à savoir <center>«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) + H\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>».</center> == Notes et références == <references /> {{Bas de page | idfaculté = physique | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie|Approche énergét. du mouv. d'un sol. en rotat. autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels|Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels]] }} emaenrtidocomabj2s98w277by5rxnh 987949 987948 2026-11-01T02:16:42Z Phl7605 31541 /* Cas particulier du pendule pesant à un degré de liberté amorti par frottement fluide linéaire */ 987949 wikitext text/x-wiki {{Chapitre | idfaculté = physique | numéro = 12 | niveau = 14 | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie/]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels/]] }} <center>Ce chapitre est traité dans le cadre de la dynamique newtonienne avec ajout de quelques éléments de dynamique relativiste.</center> == Théorème de l'énergie cinétique d’un système de matière, cas d’un solide en rotation autour d’un axe fixe == {{Al|5}}Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}est évidemment à connaître comme forme intégrée de la forme locale <ref name="forme intégrée de forme locale"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Lois_de_la_puissance_et_de_l'énergie_cinétiques#Différence_entre_«_forme_locale_de_la_dynamique_»_et_«_forme_intégrée_associée_à_cette_forme_locale_»|différence entre forme locale de la dynamique et forme intégrée associée à cette forme locale]] » du chap.<math>15</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> « théorème de la puissance <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}cinétique d'un système de matière » laquelle est inscrite explicitement dans le programme <math>\;\ldots</math> === Définition du travail du système des forces extérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque"> Par « système de matière quelconque » il faut entendre « système fermé discret de points matériels ou continu de matière » « déformable ou non ».</ref> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1"> A priori <math>\,N\,</math> pourrait être égal à <math>\,1\,</math> mais ce ne serait plus un système de points matériels mais un simple point matériel.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes"> C.-à-d. l’ensemble des paramètres de position et de vitesse de tous les points à l'instant de définition de l'état, tous ces paramètres permettant d’y décrire le système.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> entre }}l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Expression_du_travail_élémentaire_de_la_force_dont_le_point_d’application_subit_le_vecteur_déplacement_élémentaire_correspondant_à_la_durée_élémentaire_de_développement_de_sa_puissance|expression du travail élémentaire de la force dont le point d'application subit le vecteur déplacement élémentaire correspondant à la durée élémentaire de développement de sa puissance]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - bis"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="infiniment proches"> Instants infiniment proches.</ref>, son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité volumique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance volumique <math>\,\mathcal{P}_{\text{vol},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t)</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité surfacique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance surfacique <math>\,\mathcal{P}_{\text{surf},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) =</math>}} <math>\sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité linéique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance linéique <math>\,\mathcal{P}_{\text{lin},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right] dt\;</math>».</ref>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« chaque point <math>\,\color{transparent}{M_i}\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> entre «<math>\;\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\;</math>» }}son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\,</math> étant aussi tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces extérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces extérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" />. === Définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est également présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2"> Pour l'existence de forces intérieures appliquées à un système, <math>\,N\,</math> doit être évidemment <math>\,\geqslant\,</math> à <math>\,2</math>.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes" /> et l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" /> sachant que <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir }}le système des forces intérieures s'exerçant sur le système discret fermé de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le système des forces intérieures }}est défini comme « l'ensemble des forces <math>\,\vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t)\,</math> que chaque point <math>\,M_j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, exerce sur chaque point <math>\,M_i,\;\;i \neq j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math>» <ref name="système de forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Forces,_principe_des_actions_réciproques#Système_des_forces_intérieures_s’exerçant_sur_un_système_de_points_matériels_fermé|système des forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math> entre les instants <math>\;t\;</math> et <math>\;t + dt\;</math> selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i} \right]\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - ter"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> dans lequel, chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \mu(M')\;d \mathcal{V}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bivolumique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}}{d \mathcal{V}_{M'}\;d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \sigma(M')\;d S_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\;</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bisurfacique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}}{d S_{M'}\;d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \lambda(M')\;d \mathit{l}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\;\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bilinéique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}}{d \mathit{l}_{M'}\;d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace dt\;</math>».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces intérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces intérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière" />. {{Al|5}}<u>Remarque 1</u> : Le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures }}peut aussi être défini à partir de la puissance instantanée développée par les forces intérieures s’exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="définition de la puissance développée par les forces intérieures"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Définition_2|définition]] (de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures peut aussi être défini }}selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - tetra"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : }}le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}s'obtenant en ajoutant tous les travaux élémentaires de <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}peut se calculer à partir de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> peut se calculer }}par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>». {{Al|5}}<u>Remarque 2</u> : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math><ref name="définition du référentiel Rj"> Le référentiel «<math>\;\mathcal{R}_j\;</math>» est le référentiel lié à <math>\,M_j\,</math> en translation par rapport au référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#cite_note-puissance_des_forces_intérieures_s'exerçant_sur_système_continu_de_matière_-_ter-55|⁵⁵]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> dans le référentiel <math>\,\color{transparent}{\mathcal{R}}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}_{\text{int}}(t)}</math> }}<math>= \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Autres_expressions_équivalentes|autres expressions équivalentes]] de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj"> Le point <math>\,M_i\,</math> décrivant dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_j</math> <math>\,\big[</math>lié à <math>\,M_j\,</math> et en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\big]\,</math> une trajectoire particulière <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}\;</math> entre les deux instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t)\big]\,</math> étant tangent à <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}</math>.</ref> ou <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures «}}<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right]\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : }}de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière" />{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" />{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" />. {{Al|5}}<u>Remarque 3</u> : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nulle <ref name="puissance des forces intérieures en général non nulle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (1^ère conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu"> Système discret de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique"> Le système se comporte donc comme un solide au sens de la mécanique.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures nulle pour un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (3^ème conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = 0\;\;\forall\;t\,</math> pour <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = 0\;\;\forall\;\left[ t\,,\,t + dt \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> le devient }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = 0\;\;\forall\;\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> ». === Théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Partant du théorème de la puissance cinétique appliqué, à l'instant <math>\,t</math>, à un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Énoncé|énoncé]] du théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> dans lequel <math>\,\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math> est la puissance cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{ext}}(t)\,</math> la puissance développée par les forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\,</math> celle développée par les forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la même date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on multiplie par <math>\,dt\,</math> pour obtenir la forme élémentaire du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir la forme élémentaire }}entre «<math>\;t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\;</math>» où <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> est la variation élémentaire d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{ext}}\,</math> le travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{int}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur le même <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on intègre entre <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique }}entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec <math>\,\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\,</math> variation d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\,</math> }}sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> le travail des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> le travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> celui des forces intérieures }}sur le même <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>. {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> étant nul quel que soit le mouvement du système » <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Définition_du_travail_du_système_des_forces_intérieures_appliquées_à_un_«_système_de_matière_»_entre_un_état_initial_et_un_état_final|définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un système de matière entre un état initial et un état final]] (remarque 3) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul }}<math>\Rightarrow</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide sous sa forme élémentaire ou <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide }}sur une durée finie : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière en translation » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière"> Système fermé discret fermé de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> en translation » <ref name="système en translation"> Un « système de matière en translation » ne se déformant pas peut aussi être qualifié de « solide » au sens de la mécanique.</ref>, tous les points ont le même vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> égal à celui du C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> <math>\,G\,</math> du système, d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\!G}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <ref name="signification du travail élémentaire développé par les forces extérieures appliquées à un système en translation"> Dans cette 3^ème expression «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» est aussi « le travail élémentaire qui serait développé, sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\,t + dt \right],</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>, par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans <math>\,\mathcal{R}\;</math>» <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», ce dernier s'obtenant par application du théorème du mouvement du C.D.I. <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Principe_fondamental_de_la_dynamique_et_théorème_de_la_résultante_cinétique#Énoncé_du_théorème_(dynamique_newtonienne)|énoncé du théorème (dynamique newtonienne)]] du mouvement du C.D.I. d'un système » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> correspondant aussi à l'application de la r.f.d.n. <math>\,\big(</math>relation fondamentale de la dynamique newtonienne<math>\big)\,</math> au point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>» sur lequel s'exercerait la résultante dynamique<math>\big\}</math>.</ref> dans laquelle «<math>\;\vec{F}_{\text{ext}}(t)\;</math> est la résultante <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}«}}dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» <ref> Voir les paragraphes « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_en_translation_»|cas d'un système de matière en translation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » et « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissancce développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces intérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{int},\,\text{syst. en transl.}} = 0\;</math>» <ref name="système en translation" />{{,}} <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>de la variation élémentaire de l'énergie cinétique du système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en transl.}}\;</math>» avec «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="signification de l'énergie cinétique d'un système en translation"> Dans cette 2^ème expression «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» est aussi « l'énergie cinétique newtonienne du point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans {{Nobr|<math>\,\mathcal{R}\,</math>»}} <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», tous les points du système en translation ayant même vitesse que le C.D.I. <math>\,G\big\}</math>.</ref> l'énergie cinétique <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, dans le cadre de la cinétique newtonienne <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en translation"> Voir le paragraphe « énergie cinétique dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Cas_d'un_système_en_translation|cas d'un système en translation]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique }}appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" />{{, }} <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque dans un référentiel galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> nous obtenons : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un référentiel <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière en translation <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> étant le C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> et <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =}</math> }}la résultante dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\,</math> ou <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste"> Applicable sous cette forme dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste.</ref> avec <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="système fermé de matière" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système en translation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =</math> <math>K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail effectué par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail effectué par la résultante dynamique }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <br>{{Al|208}}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Ce théorème <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais il doit bien sûr être connu <ref> Sans doute ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. car on considère usuellement un système de matière en translation comme un point matériel <math>\,\big(</math>le C.D.I. <math>\,G\,</math> du système<math>\big)\,</math> sur lequel s'exerce la résultante dynamique du système et, selon ce point de vue, le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un système de matière en translation n'est rien d'autre que le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un point matériel, lequel est, quant à lui, au programme <math>\;\ldots</math></ref>. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}<u>Préliminaire</u> : Un « système <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » peut, a priori, se déformer <ref name="système en rotation autour d'un axe"> Par exemple, en se dilatant, c.-à-d. que chaque point du système, en plus de sa rotation autour d'un axe fixe, s'éloigne radialement de cet axe <math>\,\big(</math>la vitesse d'éloignement pouvant être différente d'un point à un autre<math>\big)\,</math> mais dans ce cas il ne s'agit pas d'une rotation « pure » <math>\;\ldots</math> <br>{{Al|3}}Pour maintenir une même vitesse angulaire à un instant <math>\,t\,</math> pour tous les points d'un « système déformable », il faut que le mouvement orthoradial de chacun des points soit corrélé au mouvement radial correspondant, avec absence de mouvement axial, c.-à-d. que, pour deux points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> tels que la droite <math>\,M_iM_j\,</math> recoupe l'axe <math>\,\Delta\,</math> perpendiculairement en <math>\,H_{i,\,j}</math>, <math>\,\big[</math>les points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> ayant donc même abscisse angulaire <math>\,\theta_{i,\,j}(t)\big]\,</math> on ait <math>\,\dot{\theta}_{i,\,j}(t) = \overline{\Omega}(t)</math> <math>\,\big[</math>donc indépendant de <math>\,\left( i\,,\, j \right)\big]\,</math> pour tout instant <math>\,t\,</math> et pour tout couple <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> dont les éléments ont même abscisse angulaire, ces conditions étant très contraignantes sont quasiment jamais réalisées naturellement <math>\;\ldots</math></ref>, toutefois, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Préliminaire : un « système <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>fermé<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » }}il est, en pratique, indéformable et est alors qualifié de « solide » au sens de la mécanique ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Préliminaire : }}l’exposé ci-dessous s'applique à un système discret <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de points matériels ou un système continu <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}<u>Exposé</u> : Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière" /> indéformable, en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe <math>\,\Delta</math>, fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen », <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}tous les points ont le même vecteur rotation instantanée <math>\,\vec{\Omega}(t) = \overline{\Omega}(t)\;\vec{u}_{\Delta}\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\big[\vec{u}_{\Delta}\,</math> étant le vecteur unitaire orientant l'axe de rotation <math>\,\Delta\,</math> et <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\big[}</math>}}autour de cet axe de rotation <math>\,\Delta\big]\,</math> d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe"> Expression ne nécessitant pas que l'axe <math>\,\Delta\,</math> soit fixe, la fixité de l'axe dans un référentiel intervenant quand ce dernier est galiléen et quand on utilise l'un des théorèmes fondamentaux de la dynamique de rotation des systèmes <math>\,\big\{</math>par exemple le théorème de l'énergie cinétique établi dans ce paragraphe mais le traavail élémentaire déveeloppé par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» ne nécessite pas que <math>\,\Delta\,</math> soit fixe<math>\big\}</math>.</ref>{{,}} <ref name="travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur un système en rotation"> Voir le paragraphe « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> {{Nobr|«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)</math>}} <math>= \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;</math>» et le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\delta W\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right] = \mathcal{P}\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right]\;dt\;</math>» puis, en faisant la somme membre à membre de façon à définir le travail élémentaire du sytème des forces extérieures s'exerçant sur le système en rotation «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)\;dt\;</math>».</ref> où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> est le moment <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» ou, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>du travail élémentaire }}avec «<math>\;\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta\;</math>» dans lequel <math>\,\theta(t)\,</math> est l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, la réécriture <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>,«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>de la variation de l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}}\;</math>» avec, l'énergie cinétique, à l'instant <math>\,t</math>, de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le cadre de la cinétique newtonienne «<math>\;K_{\text{syst. en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en rotation autour d'un axe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d’un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d’un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> avec «<math>\;J_\Delta\,</math> le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}relativement à <math>\,\Delta\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe"> Voir la notion de moment d'inertie d'un système discret ou continu dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Application_à_un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe#Application_au_cas_d'un_«_système_fermé_de_matière_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe_«_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|application d'un système fermé de matière en rotation autour d'un axe Δ fixe quelconque dans un référentiel d'étuide galiléen]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> d'où, en cinétique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> appliqué à un solide <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_solide_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d'un système }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> avec «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» et «<math>\;\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <math>\,\overline{\Omega}(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}<math>= \dot{\theta}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> encore égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>avec <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> et <math>\,\theta(t)\,</math> l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" />, sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail du moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail du }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[\theta(t)\,</math> étant l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation est égale au travail du «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[\theta}\,</math> étant l'abscisse angulaire }}à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> étant le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = 2\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)}\;</math>» <math>\,\big[</math>}}<math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] <math>\,\big(</math>photographié ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_(non_amorti)|mise en équation différentielle du mouvement du pendule de torsion (non amorti)]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Théorème_de_la_puissance_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_autour_d'un_axe_Δ_fixe_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe dans un référentiel d'étude galiléen]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. {{Al|5}}Ci-contre le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec deux fils de torsion identiques de même constante de torsion «<math>\;C\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec }}positions de masselottes identiques <math>\,\big(</math>sauf pour la couleur<math>\big)\,</math> de part et d'autre du point <math>\,C\,</math><ref name="distinction entre point d'attache des fils sur la tige et constante de torsion des fils"> On accepte la même notation pour le point d'attache des deux fils sur la tige et la constante de torsion de ces derniers tant qu'il n'y a pas d'ambiguïté <math>\,\big(</math>ce qui ne devrait jamais arriver compte-tenu du fait que ces deux grandeurs sont de nature différente<math>\big)</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec positions de masselottes identiques }}<math>\,\big(C\,</math> point d’attache des deux fils de torsion sur la tige<math>\big)</math> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre <math>\,\big(</math>en absence de masselottes<math>\big)\,</math> diffère du « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] » de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici l'extrémité supérieure <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil de torsion supérieur est mobile au lieu d'être fixe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur étant dans les deux fixe et <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici la torsion initiale est fournie par rotation propre de <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> d'un angle «<math>\;2\,\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>repéré sur le cercle gradué lié à <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}</math>, position de référence du cercle gradué<math>\big)\,</math> <math>\Rightarrow</math> en pratique, après quelques oscillations, la tige <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}acquiert la position d'équilibre repérée par l'angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>voir vérification ci-dessous<math>\big)\,</math> alors que <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] la torsion initiale est fournie par rotation de la tige d'un angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>également repéré <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>dans le pendule du chap.7 }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}\big)</math>, la position d'équilibre de la tige étant repérée par l'angle nul ; {{Al|5}}<u>vérification de la position d'équilibre de la tige dans le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}orientant les deux fils de torsion du bas vers le haut, quand la tige acquiert la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion supérieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche"> Une hélice est « droite » si le point tourne sur la gauche <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique direct ou encore dans le sens antihoraire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée et <br>{{Al|31}}elle est « gauche » si le point tourne sur la droite <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique indirect ou encore dans le sens horaire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée <br>{{Al|3}}<math>\,\big[</math>revoir aussi la distinction « hélices gauche ou droite » dans le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Mouvement_de_particules_chargées_dans_des_champs_électrique_et_magnétique_:_Cas_particulier_d'un_champ_magnétostatique_uniforme#Nature_hélicoïdale_uniforme_du_mouvement_de_la_particule|nature hélicoïdale uniforme du mouvement de la particule]] » du chap.<math>24</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> d'un angle «<math>\;\theta_1 - 2\;\theta_1 = -\theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil"> L'angle de torsion du fil qui intervient dans le vecteur moment du couple de torsion est l'angle que fait l'extrémité mobile relativement à l'extrémité maintenue fixe même si cette extrémité est fixée avec torsion initiale comme c'est le cas pour le fil supérieur <math>\,\big\{</math>on peut vérifier que cette définition correspond bien au schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » car {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{A_0B_0}\;</math>»}} est lié à l'extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil supérieur et «<math>\;\overrightarrow{AB}\;</math>» à l’extrémité mobile <math>\,C\,</math> et il en est de même pour l'éventuel fil de torsion inférieur<math>\big\}</math>.</ref> par rapport à son extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion supérieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} = -C \left( -\theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion inférieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche" /> d’un angle «<math>\;\theta_1 - 0 = \theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil" /> par rapport à l’extrémité <math>\;O_{\text{inf}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion inférieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = -C \left( \theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = -C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur la tige vérifiant «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} + \vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = \vec{0}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur }}la tige est effectivement en équilibre dans cette position <math>\;\ldots</math> {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <math>\,\big\{</math>ensemble solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC"> L'axe <math>\,\Delta_C\,</math> est le support des fils de torsion.</ref> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemb}}le solide étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles"> Repérée par rapport à la position de l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemble solide étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des masselottes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des masselottes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des masselottes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur"> L'angle de torsion du fil supérieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 2\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation"> Il s'agit de l'application de la puissance instantanée développée par un système de forces extérieures sur un solide en rotation autour d'un axe fixe <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d'un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> quand le système de forces extérieures est équivalent à un couple <math>\,\big[</math>c.-à-d. un système dont la résultante est nulle et dont le moment résultant scalaire relativement à l'axe de rotation définit le moment scalaire du couple<math>\big]</math>.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur"> L'angle de torsion du fil inférieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 0 = \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cin%C3%A9tique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d'un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;</math> est le moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et masselottes » en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_C\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre"> Ce qui suppose que <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> est non identiquement nulle <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\theta(t)\,</math> n'est pas une constante c.-à-d. que le solide n'est pas à sa position d'équilibre.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à droite «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta_1\;</math>», équation différentielle linéaire <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants sans terme du 1^er ordre hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_non_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition non énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] », la présence d'un 2^nd membre constant signifiant que le paramètre caractérisant l'oscillateur dans l'espace n'est pas nul à l'équilibre.</ref> de rotation ; {{Al|5}}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Conséquence_«_le_pendule_de_torsion_(non_amorti)_est_un_oscillateur_harmonique_non_amorti_de_rotation_»|conséquence : le pendule de torsion (non amorti) est un oscillateur harmonique non amorti de rotation]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » ; [[File:Pendule de torsion amorti - vue de dessus.png|thumb|300px|Vue de dessus d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti par substitution d'ailettes planes aux masselottes fixées sur la tige <math>\,\big(</math>les fils de torsion supérieur et inférieur <math>\,\perp\,</math> au plan de la figure ne peuvent y être représentés<math>\big)</math>]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> du }}<math>\big(</math>voir vue de dessus partielle représentée ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre étant écarté initialement comme celui de début de paragraphe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, le pendule ci-contre étant écarté initialement }}la tige acquiert donc une position d'équilibre repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}l'ensemble « tige et ailettes » étant un solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC" /> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant }}le solide est, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant le solide est, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}les actions extérieures sont <math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des ailettes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{ailettte}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des ailettes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des ailettes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{ailette}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu dans lequel se déplace le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] exercent sur les ailettes, modélisées par un <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> }}couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Couple_de_frottement_fluide_linéaire_agissant_sur_le_pendule_par_l’intermédiaire_des_ailettes|couple de frottement fluide linéaire agissant sur le pendule par l'intermédiaire des ailettes]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple }}<math>\big[H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}et du fluide sur lequel frottent les ailettes<math>\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide la puissance instantanée }}selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\,</math> est le moment d'inertie du solide « tige + ailettes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et ailettes » en rotation autour de <math>\,\Delta_C\,</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t) - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t) - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1 - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étudié «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta_1\;</math>», équation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}différentielle linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique" /> de rotation ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Loi_horaire_de_position_angulaire_du_pendule_de_torsion_amorti|loi horaire de position angulaire du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ». == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule pesant non amorti à un degré de liberté - forces extérieures.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté <math>\,\big(</math>schématisé ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_non_amorti_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_du_moment_cinétique_scalaire|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant non amorti (à un degré de liberté) par application du théorème du moment cinétique scalaire]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />. {{Al|5}}Ci-contre schéma de face du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] idéale <ref name="liaison idéale"> C.-à-d. dans laquelle on peut négliger les frottements solides.</ref> du solide en rotation autour de l’axe horizontal <math>\,\Delta_O\;</math><ref name="liaison pivot du pendule"> Pour plus de détails voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Présentation_du_pendule_pesant_(non_amorti)_«_P.P.(N.A.)_»|présentation du pendule pesant (non amorti) P.P.(N.A.)]] (liaison pivot avec le point O) » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Non Amorti.</ref> à un degré de liberté ayant un mouvement de rotation imposé par la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] du solide avec l'axe <math>\,\Delta_O</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté }}son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,O</math>, d'axe <math>\,\Delta_O\,</math> orienté par le vecteur unitaire «<math>\;\vec{u}_{\Delta_O}\;</math>» et <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,\color{transparent}{O}</math>, }}de rayon «<math>\;\mathfrak{a}\;</math>» avec, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. }}<math>G\,</math> repéré par son abscisse angulaire «<math>\;\theta_G(t) = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\overrightarrow{OG}(t) \right\rbrace} = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\vec{u}_r(t) \right\rbrace}\;</math>» <ref name="noté theta"> Noté «<math>\;\theta(t)\;</math>» par la suite en absence d'ambiguïté.</ref> ; {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = \left[ \overrightarrow{OG}(t) \wedge m\;\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_O} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids"> Le moment vectoriel du poids par rapport à <math>\,O\,</math> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)\;</math>» a établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_liaison_sphérique_et_avec_les_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b),_établissement_de_la_nature_plane_du_mouvement_du_C.D.I._G_du_P.P.(N.A.)|dans le cas d'une liaison sphérique et avec les C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), établissement de la nature plane du mouvement du C.D.I. G du P.P.(N.A.)]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] », soit «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\varphi_G}(t)\;</math>» avec <math>\,\vec{u}_{\varphi_G}\,</math> s'identifiant à <math>\,\vec{u}_{\Delta_O}</math>. <br>{{Al|3}}On pouvait aussi déterminer directement le moment scalaire du poids, le schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_«_liaison_pivot_»_ou_d’une_«_liaison_sphérique_avec_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b)_»,_nouveau_repérage_adapté_à_la_nature_rotatoire_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_à_un_degré_de_liberté|dans le cas d'une liaison pivot ou d'une liaison sphérique avec C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), nouveau repérage adapté à la nature rotatoire du mouvement du P.P.(N.A.) à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » étant fait avec le paramètre de position angulaire <math>\,\theta > 0</math>, on observe que le poids tend à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,-\,</math> avec un bras de levier <math>\,\big(</math>distance orthogonale séparant l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du support de <math>\,m\;\vec{g}\big)\,</math> égal à <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où, dans le cas où <math>\,\theta\,</math> est <math>\,> 0</math>, {{Nobr|«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)</math>}} <math>= - \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>» <math>\,\Big\{</math>le résultat est indépendant du signe de <math>\,\theta\,</math> mais si le schéma était fait avec <math>\,\theta < 0</math>, on observerait que le poids tendrait à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,+\,</math> avec un bras de levier <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = + \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = m\;g\;\left[ -\mathfrak{a}\; \sin(\theta) \right] = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>», soit effectivement le même résultat <math>\,\big[</math>avec toutefois une possibilité d'erreur si on oubliait que <math>\,\theta < 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert = -\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\big]\Big\}</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_particulier_où_M_est_en_mouvement_circulaire_d'axe_Δ_et_de_vitesse_angulaire_instantanée_Ω(t)|cas particulier où M est en mouvement circulaire d'axe Δ et de vitesse angulaire instantanée Ω(t)]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> de la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I."> Conditions Initiales.</ref> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O"> On a établi dans la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#cite_note-réduction_à_deux_composantes_de_la_réaction_dans_ces_C.I.-18|¹⁸]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » que la réaction du point <math>\,O\,</math> dans l'hypothèse d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] sur le pendule lancé dans les C.I. <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\,</math> ou <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\,</math> s'écrirait <math>\,\vec{R}(t) =</math> <math>R_{\rho_G}(t)\;\vec{u}_{\rho_G}(t) + R_z(t)\;\vec{u}_z</math>, c.-à-d. que la réaction serait dans le plan vertical de lancement soit encore «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» ; <br>{{Al|3}}on établit de même <math>\,\big[</math>sans que cela ait été exposé dans le chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> que la réaction de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le pendule quels que soient les C.I. de lancement compatibles avec la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] s'écrit «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>».</ref> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul"> En effet la force étant <math>\,\perp\,</math> à l'axe par rapport auquel son moment scalaire est évalué est de bras de levier nul.</ref> auquel s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe"> Le couple étant de moment vectoriel <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta_O</math>.</ref> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée à la date <math>\,t\,</math> par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée développée à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|7}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}sans terme du 1^er ordre ; {{Al|5}}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique"> On appelle « [[w:Solution_de_forme_fermée|solution analytique]] » d'une équation différentielle, une expression mathématique <math>\,\big(</math>souvent dite « formule explicite »<math>\big)\,</math> pouvant s'obtenir par une combinaison d'opérations et de [[w:Fonction_de_référence|fonctions de référence]] <math>\,\big(</math>c.-à-d. fonctions affines, puissances, trigonométriques et exponentielles ainsi que leurs fonctions inverses sur un domaine de définition restreint pour lequel il y a bijection et même certaines solutions d'équations différentielles dites de référence<math>\big)</math>, les opérations étant l'addition, la soustraction, la multiplication, la division et l'extraction de racines.</ref> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’élongations_angulaires_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'élongations angulaires non petites]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il est nécessaire de procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="solution analytique dans le cas d'élongations petites"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Cas_particulier_des_«_petites_élongations_angulaires_»,_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_=_oscillateur_harmonique_(non_amorti)_approché_de_rotation,_période_des_«_petites_oscillations_»|cas particulier des petites élongations angulaires, pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) oscillateur harmonique (non amorti) approché de rotation, période des petites oscillations]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. [[File:Pendule pesant amorti à un degré de liberté - forces extérieures - bis.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures, <math>\,I\,</math> étant le point où la résultante des forces de frottement fluide peut être appliquée]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti <math>\,\big(</math>voir coupe partielle représentée ci-contre<math>\big)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire" /> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I." /> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O" /> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul" /> où s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe" /> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu où se déplace le [[w:Pendule_pesant|pendule]] exercent sur ce dernier, modélisées par <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}un couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_O}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti" />{{,}} <ref name="définition de H"> <math>\,H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]], de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frotte le solide.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Amorti.</ref> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0 - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right] - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_O}}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}avec terme linéaire du 1^er ordre ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique" /> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’amplitudes_initiales_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'amplitudes initiales non petites]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il faut procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique - bis"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » nécessitant néanmoins d'ajouter le terme d'amortissement <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A." />. == « En complément », caractère conservatif du couple de torsion, énergie potentielle de torsion et conservation de l’énergie mécanique du pendule de torsion (non amorti) dans le champ de torsion du fil == {{Al|5}}Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » ne sont pas explicités dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » }}il me semble souhaitable de le retenir <math>\,\big(</math>et bien sûr d’être capable de le retrouver<math>\big)</math>. === Caractère conservatif du couple de torsion === {{Al|5}}Le travail élémentaire d’un couple de torsion s’exerçant sur un solide, de vecteur moment «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t) = -C\;\alpha(t)\;\vec{u}_\Delta\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Expression_du_vecteur_moment_du_couple_de_torsion_exercé_par_le_fil_en_fonction_de_l'angle_de_torsion_«_α(t)_»,_notion_de_constante_de_torsion_«_C_»_du_fil_de_torsion|expression du vecteur moment du couple de torsion exercé par le fil de torsion α(t), notion de constante de torsion C du fil de torsion]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> lors d’une torsion élémentaire «<math>\;d \alpha\;</math>» <ref name="définition de Delta et alpha sur le fil de torsion"> <math>\,\Delta\,</math> étant la direction du fil de torsion orienté par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et «<math>\;\alpha\;</math>» l'angle de torsion algébrisé, défini au niveau de la liaison au solide dans le plan <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta\,</math> et orienté par <math>\,\vec{u}_\Delta</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion }}étant défini selon «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>», <math>\,\big[\overline{\Omega}(t)\,</math> étant la vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt}\;</math>», <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \alpha\;</math>»<math>\big]\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> soit finalement <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon }}«<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -C\;\alpha\; d \alpha\;</math>» correspondant à une différentielle de fonction <math>\Rightarrow</math> le <u>caractère conservatif du couple de torsion</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple"> Pour montrer qu’une force est conservative, on évalue son travail élémentaire en prenant un vecteur déplacement élémentaire quelconque <math>\,\overrightarrow{dM}\,</math> à partir du point d'application <math>\,M\,</math> de la force <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#2ème_définition_(équivalente)_d'une_force_«_conservative_»|2^ème définition (équivalente) d'une force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> ; <br>{{Al|3}}lorsqu'il s’agit d'un couple de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, il faut évaluer son travail élémentaire en envisageant une rotation élémentaire quelconque autour de n'importe quelle direction, le couple est alors conservatif si ce travail élémentaire est une différentielle de fonction mais <br>{{Al|3}}{{Transparent|lorsqu'il s'agit d'un couple }}dans le cas d’un couple de torsion de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, la seule direction autour de laquelle peut s’effectuer une rotation élémentaire est celle du fil c.-à-d. celle de <math>\,\vec{\Gamma}\,</math> et par suite la seule condition pour que le couple de torsion soit conservatif est que son travail élémentaire en considérant une rotation élémentaire autour de la direction du fil de torsion soit une différentielle de fonction ou encore que « le moment scalaire du couple de torsion par rapport au fil ne dépende que de l'angle de torsion <math>\,\alpha\;</math>» C.Q.E.R. <math>\,\big(</math>Ce Qui Est Réalisé<math>\big)</math>.</ref>. === Énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion === {{Al|5}}L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,U_{\text{tors}}\,</math> dont « dérive » le couple de torsion de vecteur moment <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}est définie par «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#1ère_définition_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|1^ère définition de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> c.-à-d. «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(\alpha)\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\,</math> ou <math>\,-C\;\alpha\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <math>\Leftrightarrow</math> «<math>\;\dfrac{dU_{\text{tors}}}{d \alpha} = C\;\alpha\;</math>» soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}en intégrant «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2 + cste\;</math>» ; choisissant la référence de l’énergie potentielle de torsion <math>\;U_{\text{tors}}(\alpha)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle"> C.-à-d. l'endroit où l'énergie potentielle est choisie nulle.</ref> <br>{{Al|7}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> en intégrant «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\alpha) = 2\; C\;\alpha^2 + cste}\;</math>» ; choisissant la référence }}quand le fil n’est pas tordu c.-à-d. <math>\,U_{\text{tors}}(0) = 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = 0</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}l'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d’un fil et sa conservation en absence de frottement === [[File:Pendule de torsion sans masselottes - actions exercées.png|thumb|500px|Schéma d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] représenté sans masselottes additives et avec fil inférieur sans torsion avec ajout des actions exercées sur la tige à l'instant <math>\;t</math>]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec un seul fil de torsion, l'autre fil étant sans torsion <math>\,\big(</math>voir schéma ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec un seul fil de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}la seule action extérieure de moment scalaire non nul par rapport à la direction <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}commune du fil de torsion et du fil sans torsion <math>\;\big(</math>orientée par le vecteur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> étant le couple « conservatif » de torsion <ref name="conservativité du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Caractère_conservatif_du_couple_de_torsion|caractère conservatif du couple de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}moment vectoriel «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}} = -C\;\alpha\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion /> auquel on associe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie potentielle de torsion du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre valant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;U_{\text{tors}}(t) =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion énergie potentielle de torsion }}<math>\,\dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_torsion_du_solide_relié_au_fil_de_torsion|énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}son énergie cinétique à la date <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{pend. tors.}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique }}<math>J_{CO_{\text{sup}}}\,</math> est le moment d'inertie du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] relativement à la <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique <math>\color{transparent}{J_{CO_{\text{sup}}}}\,</math> est }}direction du fil de torsion et du fil sans torsion <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à l'instant <math>\,t\,</math> selon «<math>\;E_m(t) = K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Propriétés_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|propriétés de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] (2^ème propriété) » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha_0 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\alpha(0) = \alpha_0\;</math> et <math>\,\dot{\alpha}(0) = 0\;</math>». [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]]]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige <math>\,\big(</math>voir photographie ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec deux fils de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}il y a deux actions extérieures s'exerçant sur le solide « tige + masselottes » de moment scalaire non nul par rapport à <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}la direction commune <math>\,\Delta_C\,</math> des deux fils de torsion <math>\,\big(</math>orientée par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}élémentaire du solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}prouve le <u>caractère conservatif du couple de torsion du fil supérieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}supérieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = -d U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta = -d U_{\text{tors. sup.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. sup.}}}{d \theta} = C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\,</math> qui s'intègre en <math>\,U_{\text{tors. sup.}}</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,= \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> et, en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. sup.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du solide à l'équilibre » c.-à-d. <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre"> Revoir l'explication rappelée dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans le chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil supérieur du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta_1 - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_1 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion"> Symboliquement l'énergie potentielle d'un solide dans le champ de torsion d'un fil de torsion s'obtient, à une constante additive près, par la moitié du produit de la constante de torsion du fil et du carré de l'angle de torsion, à l'instant <math>\;t</math>, du fil au point d'attache du solide.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation élémentaire du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\; \theta(t)\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et prouve le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<u>caractère conservatif du couple de torsion du fil inférieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}inférieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = -d U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\;\theta\;d \theta = -d U_{\text{tors. inf.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. inf.}}}{d \theta} = C\; \theta\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{tors. inf.}} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} + cste_2\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. inf.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position du solide à l'équilibre » c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil inférieur du solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2} + cste_2 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_2 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}finalement l'énergie potentielle globale de torsion du solide « tige + masselottes » <math>\,\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale }}s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = U_{\text{tors. sup.}}(\theta) + U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» ou, en simplifiant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale s'écrit }}«<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2\;</math>» <ref> En effet <math>\,\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + 2\;C\; \theta_1^{\,2} + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + C\; \theta_1^{\,2} = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2</math>.</ref>{{,}} <ref> Cette énergie potentielle de torsion du solide « tige + masselottes » est la même que celle que l'on obtiendrait avec un seul fil de torsion de constante de torsion <math>\,2\,C</math>, l'autre fil étant sans torsion avec la référence en la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>.</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule ci-dessus étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «<math>\;\color{transparent}{K_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#%Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torion par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique de l'ensemble tige + masselottes) » plus haut dans ce chapitre.</ref> avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule }}<math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion des deux fils définie, à l'instant <math>\,t\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie mécanique }}«<math>\;E_m(t) = K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}\! \left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\alpha\;</math>» dans le 1^er exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] ou <br>{{Al|57}}celui «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta - \theta_1 \right]^2 \,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du 2^ème exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|même]] paragraphe <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}étant parabolique, nous retrouvons la <u>2^ème définition d’un oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math>de rotation<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_(équivalente)_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition (équivalente) énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. <br>{{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> de son mouvement dans le 2^ème exemple du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}«<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2 = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>», <br>{{Al|58}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}les C.I. <ref name="C.I." /> étant «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}est donc une <u>ellipse décrite dans le sens horaire</u> <ref name="portrait de phase d'un socillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Tracé_du_portrait_de_phase_de_la_charge_du_condensateur_d'un_«_R_L_C_série_»_soumis_à_un_échelon_de_tension_suivant_le_cœfficient_d'amortissement|propriétés des portraits de phase de la charge du condensateur d'un RLC série soumis à un échelon de tension suivant le cœfficient d'amortissement]] (cas d'un circuit oscillant non amorti en vert) » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. == Conservation de l’énergie mécanique du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) dans le champ de pesanteur uniforme == === Énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant === {{Al|5}}Dans le cas d'un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref><math>\big)</math>, le poids du solide étant la seule action extérieure travaillant et ce dernier étant conservatif <ref name="poids d'un objet conservatif"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Établissement_du_caractère_«_conservatif_»_du_poids_d'un_point_matériel_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|établissement du caractère conservatif du poids d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, }}on lui associe l'énergie potentielle de pesanteur «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta)\;</math>» <ref name="énergie potentielle de pesanteur"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#«_Énergie_potentielle_de_pesanteur_d'un_point_matériel_»_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|énergie potentielle de pesanteur d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> déterminée en intégrant «<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = -dU_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> avec <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)\,</math> travail élémentaire du poids lors d'une rotation élémentaire d'angle <math>\,d \theta = \dot{\theta}(t)\;dt\,</math> autour de <math>\,\Delta_O\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe «<math>\;\color{transparent}{\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)}\,</math>}}<math>= \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;dt = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)\;dt = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;d \theta\;</math>» <ref name="travail élémentaire du poids du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (actions extérieures exercées sur le solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> d'où <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}<math>\,-dU_{\text{pes}} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\;d \theta\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{pes}}}{d \theta}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\,</math> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right) + cste\;</math>» <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}soit, en choisissant comme référence de l'énergie potentielle <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> « la position <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}d'équilibre stable de ce dernier <ref name="équilibre stable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessous de ce dernier.</ref> <math>\,\theta_{\text{éq. stable}} = 0\;</math>» d'où <math>\,U_{\text{pes}}(0) = 0\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}<math>\Rightarrow</math> <math>\,0 = -m\;g\;\mathfrak{a} + cste\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = m\;g\;\mathfrak{a}\,</math> d'où l'expression de <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}l'énergie potentielle de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> se réécrit selon <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta \right) \right]\;</math>» <ref> Pour trouver l'expression de l'énergie potentielle de pesanteur on peut aussi utiliser <math>\,\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = m\;g\;dz_G = -dU_{\text{pes}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{pes}} = -m\;g\;z_G + cste\,</math> sachant que <math>\,z_G = \mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right)\,</math> avec pour position d'équilibre stable <math>\,z_{G,\,\text{éq. stable}} = \mathfrak{a}</math> <math>\;\ldots</math></ref> <math>\,\big(</math>référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : la position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement === {{Al|5}}Considérant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A." /><math>\big)</math>, l'énergie potentielle de pesanteur étant «<math>\;U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right] = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\,</math> avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> <math>\,\theta_{\text{équi. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P."/> » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> et <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie cinétique du solide constituant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique du solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> dans laquelle <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie cinétique}}«<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du solide par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie mécanique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> dans le champ de pesanteur «<math>\;E_m\!(t) = K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) + U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right]</math> <br>{{Al|23}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie mécanique du P.P.N.A. dans le champ de pesanteur «<math>\;\color{transparent}{E_m\!(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{P.P.N.A.}}(t) + U_{\text{pes}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P..P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\,\left[ 1 - \cos(\theta) \right]\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}n'étant pas parabolique <math>\,\big(</math>mais sinusoïdal<math>\big)</math>, nous pouvons affirmer que <u>le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> n'est pas un oscillateur harmonique</u> <math>\,\big(</math>quand il est en situation d'osciller<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <math>\blacktriangleright\;</math>« oscillatoire pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'énergie mécanique initiale du P.P.N.A. vaut «<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^2 + m\;g\; \mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta_0 \right) \right]\;</math>».</ref> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. est }}<math>\blacktriangleright\;</math>« révolutive pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="étude du mouvement d'un P.P.N.A. par diagramme d'énergies"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Étude_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_dans_le_cas_général_des_élongations_angulaires_non_petites_par_diagramme_énergétique|étude du mouvement du P.P.(N.A.) dans le cas général des élongations angulaires non petites par diagramme énergétique]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}de démontrer, avec utilisation simultanée de l'intégrale 1^ère énergétique <ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'intégrale 1^ère énergétique du P.P.N.A. s'écrit «<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^{\,2} + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet de démontrer, }}la nature « périodique <math>\,\big(</math>oscillatoire ou révolutive<math>\big)\;</math>» ainsi que <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}d’établir l’expression de la période sous forme intégrale <math>\ldots</math> {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Les [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d’un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ayant pour équation implicite l’intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\;</math><ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" /> de son mouvement lequel dépend de la valeur de l'énergie mécanique initiale <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />, <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. }}diffèrent suivant <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="différents portraits de phase d'un P.P.N.A."> Voir les paragraphes « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Tracé_des_portraits_de_phase_dans_le_cas_général_«_d'oscillations_ou_de_mouvement_révolutif_»_d'un_P.P.S._lancé_dans_les_C.I._«_1b_U_1a_»|tracé des portraits de phase dans le cas général d'oscillations ou de mouvement révolutif d'un P.P.S. lancé dans les C.I. 1b U 1a]] » du chap.<math>12</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\,\big(</math>l'allure des [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti étant la même que ceux d'un [[w:Pendule_simple|pendule simple]] non amorti<math>\big)\,</math> et « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Différents_portraits_de_phase_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté),_«_bifurcation_»_entre_mouvement_«_pendulaire_»_et_révolutif|différents portraits de phase du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté), bifurcation entre mouvement pendulaire et révolutif]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>pendulaire</u> <ref name="pendulaire"> Adjectif synonyme d'« oscillatoire ».</ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>fermé</u>, décrit dans le « <u>sens horaire</u> » <ref name="justification du sens horaire"> Ou « trigonométrique indirect », en effet « quand <math>\,\dot{\theta}\,</math> est <math>\,> 0</math>, <math>\,\theta \nearrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \nearrow\,</math> puis <math>\,\searrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule » ensuite «<math>\;\dot{\theta}\,</math> est <math>\,< 0</math>, correspondant à <math>\,\theta \searrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \searrow\,</math> puis <math>\,\nearrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule de nouveau » <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}avec le point «<math>\;\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)\;</math>» comme « <u>centre de </u>{{Nobr|<u>symétrie</u> » <ref name="justification du centre de symétrie"> Invariance de l’équation en changeant «<math>\;\theta\,</math> en <math>\,-\theta\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des vitesses angulaires <math>\,\big(</math>en fait antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>» et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Invariance de l’équation }}en changeant «<math>\;\dot{\theta}\,</math> en <math>\,-\dot{\theta}\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des abscisses angulaires <math>\,\big(</math>là encore c'est une antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|3}}l’association des deux symétries axiales <math>\,\big(</math>ou plutôt des deux antisymétries axiales<math>\big)\,</math> donnant un centre de symétrie pour l'intersection des deux axes <math>\,\big[</math>le point d'intersection des deux axes étant réellement une symétrie centrale <math>\,\big(</math>et non une antisymétrie centrale<math>\big)</math>.</ref>}} <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, avec le point «<math>\;\color{transparent}{\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)}\;</math>» }}correspondant à la position d’équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /> du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ; <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> }}<math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>révolutif</u>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>ouvert</u>, constitué de la <u>répétition du motif de l'intervalle</u><math>\;\left] -\pi\, , \, \pi \right]</math>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase }}répété <math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \nearrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} > 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 > 0\;</math>» ou <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase répété }}<math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \searrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} < 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 < 0\;</math>», <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)\;</math>» et celui avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,-\dot{\theta}_0 > 0 \right)\;</math>» <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, le portrait de phase avec C.I. «<math>\;\color{transparent}{\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)}\;</math>» }}étant <u>antisymétriques</u> l'un de l'autre, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>maxima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre stable</u> <ref name="équilibre stable du P.P." /> «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres stables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» ;<br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}\;</math>»<math>\big)\;</math> alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big)</math>.</ref> et <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>minima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre instable</u> <ref name="équilibre instable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessus de ce dernier.</ref> «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;</math> <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, les minima de<math>\;\color{transparent}{\vert \dot{\theta} \vert}\;</math>obtenus pour les positions d’équilibre instable «<math>\;\color{transparent}{\theta_{\text{éq. inst.}} =}</math> }}<math>\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres instables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = -\left( 2\;p' + 1 \right)\, \pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big[</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big]\;</math>.</ref>. == « Généralisation » à tout « solide » : « théorème de la variation de l’énergie mécanique » et la forme locale associée « le théorème de la puissance mécanique », application au cas d’un solide amorti == {{Al|5}}Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à la généralisation à tout système de points matériels ou continu de matière « indéformable » <ref name="solide au sens de la mécanique" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à }}la généralisation aux systèmes de points matériels ou continus de matière « déformables » sera faite dans le chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Lois_de_l'énergie_cinétique_pour_un_système_déformable_de_points_matériels#«_En_complément_»,_théorème_de_la_variation_de_l’énergie_mécanique_appliqué_à_un_système_de_matière_déformable_dans_le_champ_des_forces_extérieures_et_intérieures_conservatives_et_sa_forme_locale_«_le_théorème_de_la_puissance_mécanique_»|en complément : théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un système de matière déformable dans le champ des forces extérieures et intérieures conservatives et sa forme locale le théorème de la puissance mécanique]] » du chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. === Théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s’écrivant «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\bullet\;</math>celles qui sont conservatives <math>\,\big(</math>lesquelles « dérivent » d’une énergie potentielle<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{ransparent}{\bullet}\;</math>}}dont le travail pendant cette durée finie est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées }}<math>\bullet\;</math>celles qui sont non conservatives <ref name="non conservatives"> Ou, si elles sont conservatives, dont on ne considère pas le caractère « conservatif ».</ref> dont le travail pendant cette durée finie <br>{{Al|12}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>celles qui sont non conservatives dont }}est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}d'où «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou, avec «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, }}<math>\big(U_{\text{ext}}\,</math> étant l'énergie potentielle dont dérivent les forces conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, <math>\color{ransparent}{\big(}</math>}}définie à une constante additive près précisée par choix de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}<math>\Rightarrow</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» d’où la réécriture du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « solide <math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\left( \mathcal{S} \right)} + U_{\text{ext}} \right] = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» où on reconnaît dans le 1^er membre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}la variation de l’énergie mécanique «<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t) + U_{\text{ext}}\!(t)\;</math>» du solide «<math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le champ des forces conservatives sur la durée <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> dans le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où dans le champ des forces conservatives }}référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen d'où, finalement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}le lien entre la variation de l'énergie mécanique du « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;\Delta E_m = E_{m,\,\mathcal{F}} - E_{m,\,\mathcal{I}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» le lien }}le travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> sur cette même durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}«<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» applicable à un solide dans un référentiel d’étude galiléen, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}l'énoncé du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie dans un référentiel galiléen <ref> Ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. sous la forme où il existe des forces extérieures non conservatives dissipatives mais, comme le cas où toutes les forces extérieures travaillant sont conservatives est clairement explicité <math>\,\big(</math>sous la forme de la conservation de l’énergie mécanique du solide<math>\big)</math>, le cas où il existe des forces extérieures travaillant et non conservatives <math>\,\big(</math>comme des forces de frottement<math>\big)\,</math> s’appliquant à un solide peut difficilement être ignoré d'où l'ajout du théorème sous sa forme la plus générale <math>\;\ldots</math></ref>. : {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}<math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <math>\,K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation «<math>\;\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» }}égale au travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale au travail }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire dans un référentiel galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique }}se déduit aisément de sa forme sur une durée finie soit {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}conservatives <math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}<math>K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> <math>\color{transarent}{K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)}\,</math> l'énergie cinétique }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation élementaire«<math>\;d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t)\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» }}égale au travail élémentaire des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» égale au travail }}appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;d E_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide }}est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée finie ou élémentaire se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>». === Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de la puissance mécanique est la forme locale associée à la forme intégrée <ref name="forme intégrée de forme locale" /> “ théorème de la variation de l'énergie mécanique sur une durée finie ou élémentaire ” ; {{Al|5}}pour obtenir cette forme locale on écrit le théorème de la variation de l’énergie mécanique d’un solide dans le champ des forces extérieures conservatives entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math><ref> C.-à-d. la forme élémentaire du théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un solide.</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on écrit }}«<math>\;dE_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\,</math> dans un référentiel galiléen » puis, <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on divise les deux membres par <math>\,dt\,</math> soit «<math>\;\dfrac{dE_m}{dt} = \dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{dE_m}{dt}\;</math>» est la dérivée temporelle de l’énergie mécanique du solide dans le champ des forces extérieures conservatives définissant <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}la puissance mécanique du solide à l'instant <math>\,t\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives, notée «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» la puissance instantanée développée, à l'instant <math>\,t</math>, par les forces extérieures non conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}appliquées au solide notée «<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on obtient «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» d'où l'énoncé du théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen : {{Théorème|titre=Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide »|contenu = {{Al|5}}La puissance mécanique à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> <math>\big[</math>avec, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie mécanique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{ext}}(t)}\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces }}conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math>» l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique }}est égale à la puissance instantanée développée par les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique est égale à }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> au même instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide à un instant <math>\,t\,</math> quelconque se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}c.-à-d., après intégration, « la conservation de l’énergie mécanique du solide précédemment défini ». === Application au cas d’un solide amorti === {{Al|5}}Parmi les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées à un solide et travaillant, « les plus fréquentes sont dissipatives » <ref> Mais elles peuvent aussi être motrices par exemple, si nous souhaitons que les oscillations d’un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ou d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] perdurent alors qu’existent naturellement des frottements {{Nobr|<math>\,\big(</math>même}} minimes<math>\big)</math>, il est nécessaire de les entretenir à l’aide d’une force extérieure motrice compensant les forces de frottement, cette force motrice étant alors usuellement non conservative tout comme le sont les forces de frottement.</ref> comme les forces de frottement fluide <math>\,\big(</math>ou solide<math>\big)</math> ; {{Al|5}}si les seules forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> travaillant sont des forces de frottement s'exerçant sur un solide en mouvement dans un référentiel galiléen, <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces }}conservatives <ref name="théorème de la puissance mécanique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_la_puissance_mécanique_appliqué_à_un_«_solide_»|théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}s’écrivant «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{frott}}\!(t) < 0\;</math>» dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}l'énergie mécanique de ce solide «<math>\;E_m(t) \searrow\,</math> au sens strict » avec <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}</math> <math>\big(</math>il est qualifié d'« amorti »<math>\big)</math>. ==== Cas particulier du pendule de torsion amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] dont la photographie est dans un « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|paragraphe plus haut dans ce chapitre]] » mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}avec les masselottes remplacées par des ailettes comme présenté dans le schéma de vue de dessus de la « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|remarque du paragraphe précité]] », <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d'un fil et sa conservation en absence de frotemment]] (2^ème exemple) » plus haut dans ce chapitre dans lequel <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> doit être remplacée par <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})</math>.</ref> dans le référentiel <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « }}<math>\big\{</math>avec <math>\,U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> la position d'équilibre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « <math>\color{transparent}{\big\{}</math>avec <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2}\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence }}du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}on en déduit la puissance mécanique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;\dot{E}_m(t) = J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + 2\;C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]\,\dot{\theta}(t)\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}la puissance du couple de frottement fluide linéaire <math>\,\big(</math>seules forces extérieures non conservatives travaillant de moment scalaire par rapport à l'axe de rotation du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion la puissance du couple de frottement fluide linéaire <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>}}<math>\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion" />, <math>\,H\,</math> étant une constante positive <ref> Exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frottent les ailettes.</ref><math>\big)\,</math> <br>{{Al|6}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion la puissance du couple de frottement fluide linéaire }}agissant sur les ailettes du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étant «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] (remarque : actions extérieures exercées sur l'ensemble “ tige et ailettes ”) » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}le théorème de la puissance mécanique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» ou <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» ou encore, <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + 2\;C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]\,\dot{\theta}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}après simplication par <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> non identiquement nulle <ref name="hors position d'équilibre" /> et normalisation <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <ref> Identique à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Identique }}à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] (2^ème exemple où les masselottes sont remplacées par des ailettes) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <center>«<math>\;\ddot{\theta}(t) + + \dfrac{H}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta_1\;</math>».</center> ==== Cas particulier du pendule pesant à un degré de liberté amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] à un degré de liberté dont le schéma est dans un « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|paragraphe plus haut dans ce chapitre]] » mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}avec les masselottes remplacées par des ailettes comme présenté dans le schéma de vue de dessus de la « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|remarque du paragraphe précité]] », avec des frottements fluides linéaires comme présenté dans la vue de profil de la remarque du paragraphe précité, {{Al|5}}à la force extérieure «<math>\;m\;\vec{g}\;</math>», conservative, s'exerçant sur le P.P.A. <ref name="P.P.A." /> et « dérivant » de l'énergie potentielle de pesanteur de ce dernier, à savoir «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) =</math> <math>m\;g\;\mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos(\theta) \right]\;</math>» <math>\;\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre stable du solide <math>\;\theta_{\text{éq. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P." /><math>\big)\;</math><ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, il convient d'ajouter {{Al|5}}les forces de frottement fluide linéaire dont le moment scalaire relativement à l'axe <math>\;\Delta_O\;</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t) = -H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» a été établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « Mécanique 2 (PCSI) » <math>\;\big[H\;</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du pendule, de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel il frotte<math>\big]\;</math> montre que ces forces de frottement est un système non conservatif <ref name="raison du caractère non conservatif" />, la puissance de ces forces de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\;t</math>, selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right] =</math> <math>\mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t)\;\dot{\theta}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}l'énergie mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> étant «<math>\;E_m(t) = K(t) + U_{\text{pes}}\!\left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> à l'instant <math>\;t\;</math> dans le référentiel d'étude <math>\;\mathcal{R}</math>, <math>\;\big[J_{\Delta_O}\;</math> étant le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> relativement à son axe <math>\;\Delta_O\;</math> de rotation <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /><math>\big]\;</math> on en déduit aisément, dans <math>\;\mathcal{R}\;</math> et à l'instant <math>\;t</math>, la puissance mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en formant <math>\;\dot{E}_m(t) = \dfrac{d E_m}{dt}(t)\;</math> puis {{Al|5}}l’application du théorème de la puissance mécanique au P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> nous conduit à «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right]\;</math>» ou «<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» soit encore, {{Al|5}}en explicitant la dérivée temporelle de l’énergie mécanique puis en divisant par «<math>\;\dot{\theta}\!(t)\;</math>», l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon «Mécanique 2 (PCSI)» à savoir <center>«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) + H\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>».</center> == Notes et références == <references /> {{Bas de page | idfaculté = physique | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie|Approche énergét. du mouv. d'un sol. en rotat. autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels|Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels]] }} c2lq041leceywoa2owhc1w1rc6flk5t 987950 987949 2026-11-01T02:51:58Z Phl7605 31541 /* Cas particulier du pendule pesant à un degré de liberté amorti par frottement fluide linéaire */ 987950 wikitext text/x-wiki {{Chapitre | idfaculté = physique | numéro = 12 | niveau = 14 | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie/]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels/]] }} <center>Ce chapitre est traité dans le cadre de la dynamique newtonienne avec ajout de quelques éléments de dynamique relativiste.</center> == Théorème de l'énergie cinétique d’un système de matière, cas d’un solide en rotation autour d’un axe fixe == {{Al|5}}Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}est évidemment à connaître comme forme intégrée de la forme locale <ref name="forme intégrée de forme locale"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Lois_de_la_puissance_et_de_l'énergie_cinétiques#Différence_entre_«_forme_locale_de_la_dynamique_»_et_«_forme_intégrée_associée_à_cette_forme_locale_»|différence entre forme locale de la dynamique et forme intégrée associée à cette forme locale]] » du chap.<math>15</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> « théorème de la puissance <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}cinétique d'un système de matière » laquelle est inscrite explicitement dans le programme <math>\;\ldots</math> === Définition du travail du système des forces extérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque"> Par « système de matière quelconque » il faut entendre « système fermé discret de points matériels ou continu de matière » « déformable ou non ».</ref> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1"> A priori <math>\,N\,</math> pourrait être égal à <math>\,1\,</math> mais ce ne serait plus un système de points matériels mais un simple point matériel.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes"> C.-à-d. l’ensemble des paramètres de position et de vitesse de tous les points à l'instant de définition de l'état, tous ces paramètres permettant d’y décrire le système.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> entre }}l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Expression_du_travail_élémentaire_de_la_force_dont_le_point_d’application_subit_le_vecteur_déplacement_élémentaire_correspondant_à_la_durée_élémentaire_de_développement_de_sa_puissance|expression du travail élémentaire de la force dont le point d'application subit le vecteur déplacement élémentaire correspondant à la durée élémentaire de développement de sa puissance]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - bis"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="infiniment proches"> Instants infiniment proches.</ref>, son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité volumique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance volumique <math>\,\mathcal{P}_{\text{vol},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t)</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité surfacique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance surfacique <math>\,\mathcal{P}_{\text{surf},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) =</math>}} <math>\sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité linéique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance linéique <math>\,\mathcal{P}_{\text{lin},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right] dt\;</math>».</ref>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« chaque point <math>\,\color{transparent}{M_i}\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> entre «<math>\;\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\;</math>» }}son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\,</math> étant aussi tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces extérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces extérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" />. === Définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est également présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2"> Pour l'existence de forces intérieures appliquées à un système, <math>\,N\,</math> doit être évidemment <math>\,\geqslant\,</math> à <math>\,2</math>.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes" /> et l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" /> sachant que <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir }}le système des forces intérieures s'exerçant sur le système discret fermé de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le système des forces intérieures }}est défini comme « l'ensemble des forces <math>\,\vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t)\,</math> que chaque point <math>\,M_j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, exerce sur chaque point <math>\,M_i,\;\;i \neq j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math>» <ref name="système de forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Forces,_principe_des_actions_réciproques#Système_des_forces_intérieures_s’exerçant_sur_un_système_de_points_matériels_fermé|système des forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math> entre les instants <math>\;t\;</math> et <math>\;t + dt\;</math> selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i} \right]\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - ter"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> dans lequel, chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \mu(M')\;d \mathcal{V}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bivolumique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}}{d \mathcal{V}_{M'}\;d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \sigma(M')\;d S_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\;</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bisurfacique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}}{d S_{M'}\;d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \lambda(M')\;d \mathit{l}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\;\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bilinéique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}}{d \mathit{l}_{M'}\;d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace dt\;</math>».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces intérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces intérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière" />. {{Al|5}}<u>Remarque 1</u> : Le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures }}peut aussi être défini à partir de la puissance instantanée développée par les forces intérieures s’exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="définition de la puissance développée par les forces intérieures"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Définition_2|définition]] (de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures peut aussi être défini }}selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - tetra"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : }}le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}s'obtenant en ajoutant tous les travaux élémentaires de <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}peut se calculer à partir de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> peut se calculer }}par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>». {{Al|5}}<u>Remarque 2</u> : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math><ref name="définition du référentiel Rj"> Le référentiel «<math>\;\mathcal{R}_j\;</math>» est le référentiel lié à <math>\,M_j\,</math> en translation par rapport au référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#cite_note-puissance_des_forces_intérieures_s'exerçant_sur_système_continu_de_matière_-_ter-55|⁵⁵]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> dans le référentiel <math>\,\color{transparent}{\mathcal{R}}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}_{\text{int}}(t)}</math> }}<math>= \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Autres_expressions_équivalentes|autres expressions équivalentes]] de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj"> Le point <math>\,M_i\,</math> décrivant dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_j</math> <math>\,\big[</math>lié à <math>\,M_j\,</math> et en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\big]\,</math> une trajectoire particulière <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}\;</math> entre les deux instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t)\big]\,</math> étant tangent à <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}</math>.</ref> ou <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures «}}<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right]\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : }}de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière" />{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" />{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" />. {{Al|5}}<u>Remarque 3</u> : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nulle <ref name="puissance des forces intérieures en général non nulle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (1^ère conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu"> Système discret de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique"> Le système se comporte donc comme un solide au sens de la mécanique.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures nulle pour un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (3^ème conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = 0\;\;\forall\;t\,</math> pour <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = 0\;\;\forall\;\left[ t\,,\,t + dt \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> le devient }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = 0\;\;\forall\;\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> ». === Théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Partant du théorème de la puissance cinétique appliqué, à l'instant <math>\,t</math>, à un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Énoncé|énoncé]] du théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> dans lequel <math>\,\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math> est la puissance cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{ext}}(t)\,</math> la puissance développée par les forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\,</math> celle développée par les forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la même date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on multiplie par <math>\,dt\,</math> pour obtenir la forme élémentaire du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir la forme élémentaire }}entre «<math>\;t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\;</math>» où <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> est la variation élémentaire d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{ext}}\,</math> le travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{int}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur le même <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on intègre entre <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique }}entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec <math>\,\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\,</math> variation d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\,</math> }}sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> le travail des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> le travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> celui des forces intérieures }}sur le même <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>. {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> étant nul quel que soit le mouvement du système » <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Définition_du_travail_du_système_des_forces_intérieures_appliquées_à_un_«_système_de_matière_»_entre_un_état_initial_et_un_état_final|définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un système de matière entre un état initial et un état final]] (remarque 3) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul }}<math>\Rightarrow</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide sous sa forme élémentaire ou <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide }}sur une durée finie : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière en translation » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière"> Système fermé discret fermé de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> en translation » <ref name="système en translation"> Un « système de matière en translation » ne se déformant pas peut aussi être qualifié de « solide » au sens de la mécanique.</ref>, tous les points ont le même vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> égal à celui du C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> <math>\,G\,</math> du système, d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\!G}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <ref name="signification du travail élémentaire développé par les forces extérieures appliquées à un système en translation"> Dans cette 3^ème expression «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» est aussi « le travail élémentaire qui serait développé, sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\,t + dt \right],</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>, par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans <math>\,\mathcal{R}\;</math>» <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», ce dernier s'obtenant par application du théorème du mouvement du C.D.I. <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Principe_fondamental_de_la_dynamique_et_théorème_de_la_résultante_cinétique#Énoncé_du_théorème_(dynamique_newtonienne)|énoncé du théorème (dynamique newtonienne)]] du mouvement du C.D.I. d'un système » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> correspondant aussi à l'application de la r.f.d.n. <math>\,\big(</math>relation fondamentale de la dynamique newtonienne<math>\big)\,</math> au point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>» sur lequel s'exercerait la résultante dynamique<math>\big\}</math>.</ref> dans laquelle «<math>\;\vec{F}_{\text{ext}}(t)\;</math> est la résultante <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}«}}dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» <ref> Voir les paragraphes « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_en_translation_»|cas d'un système de matière en translation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » et « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissancce développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces intérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{int},\,\text{syst. en transl.}} = 0\;</math>» <ref name="système en translation" />{{,}} <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>de la variation élémentaire de l'énergie cinétique du système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en transl.}}\;</math>» avec «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="signification de l'énergie cinétique d'un système en translation"> Dans cette 2^ème expression «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» est aussi « l'énergie cinétique newtonienne du point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans {{Nobr|<math>\,\mathcal{R}\,</math>»}} <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», tous les points du système en translation ayant même vitesse que le C.D.I. <math>\,G\big\}</math>.</ref> l'énergie cinétique <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, dans le cadre de la cinétique newtonienne <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en translation"> Voir le paragraphe « énergie cinétique dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Cas_d'un_système_en_translation|cas d'un système en translation]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique }}appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" />{{, }} <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque dans un référentiel galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> nous obtenons : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un référentiel <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière en translation <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> étant le C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> et <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =}</math> }}la résultante dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\,</math> ou <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste"> Applicable sous cette forme dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste.</ref> avec <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="système fermé de matière" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système en translation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =</math> <math>K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail effectué par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail effectué par la résultante dynamique }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <br>{{Al|208}}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Ce théorème <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais il doit bien sûr être connu <ref> Sans doute ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. car on considère usuellement un système de matière en translation comme un point matériel <math>\,\big(</math>le C.D.I. <math>\,G\,</math> du système<math>\big)\,</math> sur lequel s'exerce la résultante dynamique du système et, selon ce point de vue, le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un système de matière en translation n'est rien d'autre que le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un point matériel, lequel est, quant à lui, au programme <math>\;\ldots</math></ref>. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}<u>Préliminaire</u> : Un « système <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » peut, a priori, se déformer <ref name="système en rotation autour d'un axe"> Par exemple, en se dilatant, c.-à-d. que chaque point du système, en plus de sa rotation autour d'un axe fixe, s'éloigne radialement de cet axe <math>\,\big(</math>la vitesse d'éloignement pouvant être différente d'un point à un autre<math>\big)\,</math> mais dans ce cas il ne s'agit pas d'une rotation « pure » <math>\;\ldots</math> <br>{{Al|3}}Pour maintenir une même vitesse angulaire à un instant <math>\,t\,</math> pour tous les points d'un « système déformable », il faut que le mouvement orthoradial de chacun des points soit corrélé au mouvement radial correspondant, avec absence de mouvement axial, c.-à-d. que, pour deux points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> tels que la droite <math>\,M_iM_j\,</math> recoupe l'axe <math>\,\Delta\,</math> perpendiculairement en <math>\,H_{i,\,j}</math>, <math>\,\big[</math>les points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> ayant donc même abscisse angulaire <math>\,\theta_{i,\,j}(t)\big]\,</math> on ait <math>\,\dot{\theta}_{i,\,j}(t) = \overline{\Omega}(t)</math> <math>\,\big[</math>donc indépendant de <math>\,\left( i\,,\, j \right)\big]\,</math> pour tout instant <math>\,t\,</math> et pour tout couple <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> dont les éléments ont même abscisse angulaire, ces conditions étant très contraignantes sont quasiment jamais réalisées naturellement <math>\;\ldots</math></ref>, toutefois, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Préliminaire : un « système <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>fermé<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » }}il est, en pratique, indéformable et est alors qualifié de « solide » au sens de la mécanique ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Préliminaire : }}l’exposé ci-dessous s'applique à un système discret <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de points matériels ou un système continu <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}<u>Exposé</u> : Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière" /> indéformable, en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe <math>\,\Delta</math>, fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen », <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}tous les points ont le même vecteur rotation instantanée <math>\,\vec{\Omega}(t) = \overline{\Omega}(t)\;\vec{u}_{\Delta}\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\big[\vec{u}_{\Delta}\,</math> étant le vecteur unitaire orientant l'axe de rotation <math>\,\Delta\,</math> et <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\big[}</math>}}autour de cet axe de rotation <math>\,\Delta\big]\,</math> d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe"> Expression ne nécessitant pas que l'axe <math>\,\Delta\,</math> soit fixe, la fixité de l'axe dans un référentiel intervenant quand ce dernier est galiléen et quand on utilise l'un des théorèmes fondamentaux de la dynamique de rotation des systèmes <math>\,\big\{</math>par exemple le théorème de l'énergie cinétique établi dans ce paragraphe mais le traavail élémentaire déveeloppé par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» ne nécessite pas que <math>\,\Delta\,</math> soit fixe<math>\big\}</math>.</ref>{{,}} <ref name="travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur un système en rotation"> Voir le paragraphe « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> {{Nobr|«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)</math>}} <math>= \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;</math>» et le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\delta W\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right] = \mathcal{P}\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right]\;dt\;</math>» puis, en faisant la somme membre à membre de façon à définir le travail élémentaire du sytème des forces extérieures s'exerçant sur le système en rotation «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)\;dt\;</math>».</ref> où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> est le moment <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» ou, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>du travail élémentaire }}avec «<math>\;\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta\;</math>» dans lequel <math>\,\theta(t)\,</math> est l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, la réécriture <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>,«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>de la variation de l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}}\;</math>» avec, l'énergie cinétique, à l'instant <math>\,t</math>, de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le cadre de la cinétique newtonienne «<math>\;K_{\text{syst. en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en rotation autour d'un axe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d’un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d’un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> avec «<math>\;J_\Delta\,</math> le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}relativement à <math>\,\Delta\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe"> Voir la notion de moment d'inertie d'un système discret ou continu dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Application_à_un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe#Application_au_cas_d'un_«_système_fermé_de_matière_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe_«_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|application d'un système fermé de matière en rotation autour d'un axe Δ fixe quelconque dans un référentiel d'étuide galiléen]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> d'où, en cinétique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> appliqué à un solide <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_solide_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d'un système }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> avec «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» et «<math>\;\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <math>\,\overline{\Omega}(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}<math>= \dot{\theta}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> encore égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>avec <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> et <math>\,\theta(t)\,</math> l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" />, sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail du moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail du }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[\theta(t)\,</math> étant l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation est égale au travail du «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[\theta}\,</math> étant l'abscisse angulaire }}à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> étant le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = 2\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)}\;</math>» <math>\,\big[</math>}}<math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] <math>\,\big(</math>photographié ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_(non_amorti)|mise en équation différentielle du mouvement du pendule de torsion (non amorti)]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Théorème_de_la_puissance_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_autour_d'un_axe_Δ_fixe_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe dans un référentiel d'étude galiléen]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. {{Al|5}}Ci-contre le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec deux fils de torsion identiques de même constante de torsion «<math>\;C\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec }}positions de masselottes identiques <math>\,\big(</math>sauf pour la couleur<math>\big)\,</math> de part et d'autre du point <math>\,C\,</math><ref name="distinction entre point d'attache des fils sur la tige et constante de torsion des fils"> On accepte la même notation pour le point d'attache des deux fils sur la tige et la constante de torsion de ces derniers tant qu'il n'y a pas d'ambiguïté <math>\,\big(</math>ce qui ne devrait jamais arriver compte-tenu du fait que ces deux grandeurs sont de nature différente<math>\big)</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec positions de masselottes identiques }}<math>\,\big(C\,</math> point d’attache des deux fils de torsion sur la tige<math>\big)</math> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre <math>\,\big(</math>en absence de masselottes<math>\big)\,</math> diffère du « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] » de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici l'extrémité supérieure <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil de torsion supérieur est mobile au lieu d'être fixe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur étant dans les deux fixe et <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici la torsion initiale est fournie par rotation propre de <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> d'un angle «<math>\;2\,\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>repéré sur le cercle gradué lié à <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}</math>, position de référence du cercle gradué<math>\big)\,</math> <math>\Rightarrow</math> en pratique, après quelques oscillations, la tige <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}acquiert la position d'équilibre repérée par l'angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>voir vérification ci-dessous<math>\big)\,</math> alors que <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] la torsion initiale est fournie par rotation de la tige d'un angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>également repéré <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>dans le pendule du chap.7 }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}\big)</math>, la position d'équilibre de la tige étant repérée par l'angle nul ; {{Al|5}}<u>vérification de la position d'équilibre de la tige dans le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}orientant les deux fils de torsion du bas vers le haut, quand la tige acquiert la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion supérieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche"> Une hélice est « droite » si le point tourne sur la gauche <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique direct ou encore dans le sens antihoraire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée et <br>{{Al|31}}elle est « gauche » si le point tourne sur la droite <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique indirect ou encore dans le sens horaire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée <br>{{Al|3}}<math>\,\big[</math>revoir aussi la distinction « hélices gauche ou droite » dans le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Mouvement_de_particules_chargées_dans_des_champs_électrique_et_magnétique_:_Cas_particulier_d'un_champ_magnétostatique_uniforme#Nature_hélicoïdale_uniforme_du_mouvement_de_la_particule|nature hélicoïdale uniforme du mouvement de la particule]] » du chap.<math>24</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> d'un angle «<math>\;\theta_1 - 2\;\theta_1 = -\theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil"> L'angle de torsion du fil qui intervient dans le vecteur moment du couple de torsion est l'angle que fait l'extrémité mobile relativement à l'extrémité maintenue fixe même si cette extrémité est fixée avec torsion initiale comme c'est le cas pour le fil supérieur <math>\,\big\{</math>on peut vérifier que cette définition correspond bien au schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » car {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{A_0B_0}\;</math>»}} est lié à l'extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil supérieur et «<math>\;\overrightarrow{AB}\;</math>» à l’extrémité mobile <math>\,C\,</math> et il en est de même pour l'éventuel fil de torsion inférieur<math>\big\}</math>.</ref> par rapport à son extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion supérieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} = -C \left( -\theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion inférieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche" /> d’un angle «<math>\;\theta_1 - 0 = \theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil" /> par rapport à l’extrémité <math>\;O_{\text{inf}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion inférieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = -C \left( \theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = -C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur la tige vérifiant «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} + \vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = \vec{0}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur }}la tige est effectivement en équilibre dans cette position <math>\;\ldots</math> {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <math>\,\big\{</math>ensemble solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC"> L'axe <math>\,\Delta_C\,</math> est le support des fils de torsion.</ref> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemb}}le solide étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles"> Repérée par rapport à la position de l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemble solide étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des masselottes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des masselottes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des masselottes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur"> L'angle de torsion du fil supérieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 2\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation"> Il s'agit de l'application de la puissance instantanée développée par un système de forces extérieures sur un solide en rotation autour d'un axe fixe <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d'un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> quand le système de forces extérieures est équivalent à un couple <math>\,\big[</math>c.-à-d. un système dont la résultante est nulle et dont le moment résultant scalaire relativement à l'axe de rotation définit le moment scalaire du couple<math>\big]</math>.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur"> L'angle de torsion du fil inférieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 0 = \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cin%C3%A9tique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d'un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;</math> est le moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et masselottes » en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_C\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre"> Ce qui suppose que <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> est non identiquement nulle <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\theta(t)\,</math> n'est pas une constante c.-à-d. que le solide n'est pas à sa position d'équilibre.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à droite «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta_1\;</math>», équation différentielle linéaire <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants sans terme du 1^er ordre hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_non_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition non énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] », la présence d'un 2^nd membre constant signifiant que le paramètre caractérisant l'oscillateur dans l'espace n'est pas nul à l'équilibre.</ref> de rotation ; {{Al|5}}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Conséquence_«_le_pendule_de_torsion_(non_amorti)_est_un_oscillateur_harmonique_non_amorti_de_rotation_»|conséquence : le pendule de torsion (non amorti) est un oscillateur harmonique non amorti de rotation]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » ; [[File:Pendule de torsion amorti - vue de dessus.png|thumb|300px|Vue de dessus d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti par substitution d'ailettes planes aux masselottes fixées sur la tige <math>\,\big(</math>les fils de torsion supérieur et inférieur <math>\,\perp\,</math> au plan de la figure ne peuvent y être représentés<math>\big)</math>]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> du }}<math>\big(</math>voir vue de dessus partielle représentée ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre étant écarté initialement comme celui de début de paragraphe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, le pendule ci-contre étant écarté initialement }}la tige acquiert donc une position d'équilibre repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}l'ensemble « tige et ailettes » étant un solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC" /> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant }}le solide est, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant le solide est, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}les actions extérieures sont <math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des ailettes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{ailettte}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des ailettes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des ailettes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{ailette}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu dans lequel se déplace le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] exercent sur les ailettes, modélisées par un <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> }}couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Couple_de_frottement_fluide_linéaire_agissant_sur_le_pendule_par_l’intermédiaire_des_ailettes|couple de frottement fluide linéaire agissant sur le pendule par l'intermédiaire des ailettes]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple }}<math>\big[H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}et du fluide sur lequel frottent les ailettes<math>\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide la puissance instantanée }}selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\,</math> est le moment d'inertie du solide « tige + ailettes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et ailettes » en rotation autour de <math>\,\Delta_C\,</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t) - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t) - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1 - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étudié «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta_1\;</math>», équation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}différentielle linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique" /> de rotation ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Loi_horaire_de_position_angulaire_du_pendule_de_torsion_amorti|loi horaire de position angulaire du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ». == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule pesant non amorti à un degré de liberté - forces extérieures.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté <math>\,\big(</math>schématisé ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_non_amorti_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_du_moment_cinétique_scalaire|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant non amorti (à un degré de liberté) par application du théorème du moment cinétique scalaire]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />. {{Al|5}}Ci-contre schéma de face du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] idéale <ref name="liaison idéale"> C.-à-d. dans laquelle on peut négliger les frottements solides.</ref> du solide en rotation autour de l’axe horizontal <math>\,\Delta_O\;</math><ref name="liaison pivot du pendule"> Pour plus de détails voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Présentation_du_pendule_pesant_(non_amorti)_«_P.P.(N.A.)_»|présentation du pendule pesant (non amorti) P.P.(N.A.)]] (liaison pivot avec le point O) » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Non Amorti.</ref> à un degré de liberté ayant un mouvement de rotation imposé par la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] du solide avec l'axe <math>\,\Delta_O</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté }}son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,O</math>, d'axe <math>\,\Delta_O\,</math> orienté par le vecteur unitaire «<math>\;\vec{u}_{\Delta_O}\;</math>» et <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,\color{transparent}{O}</math>, }}de rayon «<math>\;\mathfrak{a}\;</math>» avec, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. }}<math>G\,</math> repéré par son abscisse angulaire «<math>\;\theta_G(t) = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\overrightarrow{OG}(t) \right\rbrace} = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\vec{u}_r(t) \right\rbrace}\;</math>» <ref name="noté theta"> Noté «<math>\;\theta(t)\;</math>» par la suite en absence d'ambiguïté.</ref> ; {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = \left[ \overrightarrow{OG}(t) \wedge m\;\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_O} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids"> Le moment vectoriel du poids par rapport à <math>\,O\,</math> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)\;</math>» a établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_liaison_sphérique_et_avec_les_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b),_établissement_de_la_nature_plane_du_mouvement_du_C.D.I._G_du_P.P.(N.A.)|dans le cas d'une liaison sphérique et avec les C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), établissement de la nature plane du mouvement du C.D.I. G du P.P.(N.A.)]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] », soit «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\varphi_G}(t)\;</math>» avec <math>\,\vec{u}_{\varphi_G}\,</math> s'identifiant à <math>\,\vec{u}_{\Delta_O}</math>. <br>{{Al|3}}On pouvait aussi déterminer directement le moment scalaire du poids, le schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_«_liaison_pivot_»_ou_d’une_«_liaison_sphérique_avec_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b)_»,_nouveau_repérage_adapté_à_la_nature_rotatoire_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_à_un_degré_de_liberté|dans le cas d'une liaison pivot ou d'une liaison sphérique avec C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), nouveau repérage adapté à la nature rotatoire du mouvement du P.P.(N.A.) à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » étant fait avec le paramètre de position angulaire <math>\,\theta > 0</math>, on observe que le poids tend à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,-\,</math> avec un bras de levier <math>\,\big(</math>distance orthogonale séparant l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du support de <math>\,m\;\vec{g}\big)\,</math> égal à <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où, dans le cas où <math>\,\theta\,</math> est <math>\,> 0</math>, {{Nobr|«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)</math>}} <math>= - \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>» <math>\,\Big\{</math>le résultat est indépendant du signe de <math>\,\theta\,</math> mais si le schéma était fait avec <math>\,\theta < 0</math>, on observerait que le poids tendrait à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,+\,</math> avec un bras de levier <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = + \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = m\;g\;\left[ -\mathfrak{a}\; \sin(\theta) \right] = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>», soit effectivement le même résultat <math>\,\big[</math>avec toutefois une possibilité d'erreur si on oubliait que <math>\,\theta < 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert = -\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\big]\Big\}</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_particulier_où_M_est_en_mouvement_circulaire_d'axe_Δ_et_de_vitesse_angulaire_instantanée_Ω(t)|cas particulier où M est en mouvement circulaire d'axe Δ et de vitesse angulaire instantanée Ω(t)]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> de la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I."> Conditions Initiales.</ref> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O"> On a établi dans la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#cite_note-réduction_à_deux_composantes_de_la_réaction_dans_ces_C.I.-18|¹⁸]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » que la réaction du point <math>\,O\,</math> dans l'hypothèse d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] sur le pendule lancé dans les C.I. <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\,</math> ou <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\,</math> s'écrirait <math>\,\vec{R}(t) =</math> <math>R_{\rho_G}(t)\;\vec{u}_{\rho_G}(t) + R_z(t)\;\vec{u}_z</math>, c.-à-d. que la réaction serait dans le plan vertical de lancement soit encore «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» ; <br>{{Al|3}}on établit de même <math>\,\big[</math>sans que cela ait été exposé dans le chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> que la réaction de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le pendule quels que soient les C.I. de lancement compatibles avec la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] s'écrit «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>».</ref> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul"> En effet la force étant <math>\,\perp\,</math> à l'axe par rapport auquel son moment scalaire est évalué est de bras de levier nul.</ref> auquel s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe"> Le couple étant de moment vectoriel <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta_O</math>.</ref> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée à la date <math>\,t\,</math> par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée développée à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|7}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}sans terme du 1^er ordre ; {{Al|5}}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique"> On appelle « [[w:Solution_de_forme_fermée|solution analytique]] » d'une équation différentielle, une expression mathématique <math>\,\big(</math>souvent dite « formule explicite »<math>\big)\,</math> pouvant s'obtenir par une combinaison d'opérations et de [[w:Fonction_de_référence|fonctions de référence]] <math>\,\big(</math>c.-à-d. fonctions affines, puissances, trigonométriques et exponentielles ainsi que leurs fonctions inverses sur un domaine de définition restreint pour lequel il y a bijection et même certaines solutions d'équations différentielles dites de référence<math>\big)</math>, les opérations étant l'addition, la soustraction, la multiplication, la division et l'extraction de racines.</ref> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’élongations_angulaires_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'élongations angulaires non petites]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il est nécessaire de procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="solution analytique dans le cas d'élongations petites"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Cas_particulier_des_«_petites_élongations_angulaires_»,_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_=_oscillateur_harmonique_(non_amorti)_approché_de_rotation,_période_des_«_petites_oscillations_»|cas particulier des petites élongations angulaires, pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) oscillateur harmonique (non amorti) approché de rotation, période des petites oscillations]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. [[File:Pendule pesant amorti à un degré de liberté - forces extérieures - bis.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures, <math>\,I\,</math> étant le point où la résultante des forces de frottement fluide peut être appliquée]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti <math>\,\big(</math>voir coupe partielle représentée ci-contre<math>\big)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire" /> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I." /> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O" /> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul" /> où s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe" /> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu où se déplace le [[w:Pendule_pesant|pendule]] exercent sur ce dernier, modélisées par <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}un couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_O}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti" />{{,}} <ref name="définition de H"> <math>\,H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]], de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frotte le solide.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Amorti.</ref> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0 - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right] - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_O}}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}avec terme linéaire du 1^er ordre ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique" /> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’amplitudes_initiales_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'amplitudes initiales non petites]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il faut procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique - bis"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » nécessitant néanmoins d'ajouter le terme d'amortissement <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A." />. == « En complément », caractère conservatif du couple de torsion, énergie potentielle de torsion et conservation de l’énergie mécanique du pendule de torsion (non amorti) dans le champ de torsion du fil == {{Al|5}}Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » ne sont pas explicités dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » }}il me semble souhaitable de le retenir <math>\,\big(</math>et bien sûr d’être capable de le retrouver<math>\big)</math>. === Caractère conservatif du couple de torsion === {{Al|5}}Le travail élémentaire d’un couple de torsion s’exerçant sur un solide, de vecteur moment «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t) = -C\;\alpha(t)\;\vec{u}_\Delta\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Expression_du_vecteur_moment_du_couple_de_torsion_exercé_par_le_fil_en_fonction_de_l'angle_de_torsion_«_α(t)_»,_notion_de_constante_de_torsion_«_C_»_du_fil_de_torsion|expression du vecteur moment du couple de torsion exercé par le fil de torsion α(t), notion de constante de torsion C du fil de torsion]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> lors d’une torsion élémentaire «<math>\;d \alpha\;</math>» <ref name="définition de Delta et alpha sur le fil de torsion"> <math>\,\Delta\,</math> étant la direction du fil de torsion orienté par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et «<math>\;\alpha\;</math>» l'angle de torsion algébrisé, défini au niveau de la liaison au solide dans le plan <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta\,</math> et orienté par <math>\,\vec{u}_\Delta</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion }}étant défini selon «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>», <math>\,\big[\overline{\Omega}(t)\,</math> étant la vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt}\;</math>», <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \alpha\;</math>»<math>\big]\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> soit finalement <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon }}«<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -C\;\alpha\; d \alpha\;</math>» correspondant à une différentielle de fonction <math>\Rightarrow</math> le <u>caractère conservatif du couple de torsion</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple"> Pour montrer qu’une force est conservative, on évalue son travail élémentaire en prenant un vecteur déplacement élémentaire quelconque <math>\,\overrightarrow{dM}\,</math> à partir du point d'application <math>\,M\,</math> de la force <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#2ème_définition_(équivalente)_d'une_force_«_conservative_»|2^ème définition (équivalente) d'une force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> ; <br>{{Al|3}}lorsqu'il s’agit d'un couple de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, il faut évaluer son travail élémentaire en envisageant une rotation élémentaire quelconque autour de n'importe quelle direction, le couple est alors conservatif si ce travail élémentaire est une différentielle de fonction mais <br>{{Al|3}}{{Transparent|lorsqu'il s'agit d'un couple }}dans le cas d’un couple de torsion de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, la seule direction autour de laquelle peut s’effectuer une rotation élémentaire est celle du fil c.-à-d. celle de <math>\,\vec{\Gamma}\,</math> et par suite la seule condition pour que le couple de torsion soit conservatif est que son travail élémentaire en considérant une rotation élémentaire autour de la direction du fil de torsion soit une différentielle de fonction ou encore que « le moment scalaire du couple de torsion par rapport au fil ne dépende que de l'angle de torsion <math>\,\alpha\;</math>» C.Q.E.R. <math>\,\big(</math>Ce Qui Est Réalisé<math>\big)</math>.</ref>. === Énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion === {{Al|5}}L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,U_{\text{tors}}\,</math> dont « dérive » le couple de torsion de vecteur moment <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}est définie par «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#1ère_définition_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|1^ère définition de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> c.-à-d. «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(\alpha)\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\,</math> ou <math>\,-C\;\alpha\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <math>\Leftrightarrow</math> «<math>\;\dfrac{dU_{\text{tors}}}{d \alpha} = C\;\alpha\;</math>» soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}en intégrant «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2 + cste\;</math>» ; choisissant la référence de l’énergie potentielle de torsion <math>\;U_{\text{tors}}(\alpha)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle"> C.-à-d. l'endroit où l'énergie potentielle est choisie nulle.</ref> <br>{{Al|7}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> en intégrant «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\alpha) = 2\; C\;\alpha^2 + cste}\;</math>» ; choisissant la référence }}quand le fil n’est pas tordu c.-à-d. <math>\,U_{\text{tors}}(0) = 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = 0</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}l'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d’un fil et sa conservation en absence de frottement === [[File:Pendule de torsion sans masselottes - actions exercées.png|thumb|500px|Schéma d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] représenté sans masselottes additives et avec fil inférieur sans torsion avec ajout des actions exercées sur la tige à l'instant <math>\;t</math>]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec un seul fil de torsion, l'autre fil étant sans torsion <math>\,\big(</math>voir schéma ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec un seul fil de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}la seule action extérieure de moment scalaire non nul par rapport à la direction <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}commune du fil de torsion et du fil sans torsion <math>\;\big(</math>orientée par le vecteur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> étant le couple « conservatif » de torsion <ref name="conservativité du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Caractère_conservatif_du_couple_de_torsion|caractère conservatif du couple de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}moment vectoriel «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}} = -C\;\alpha\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion /> auquel on associe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie potentielle de torsion du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre valant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;U_{\text{tors}}(t) =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion énergie potentielle de torsion }}<math>\,\dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_torsion_du_solide_relié_au_fil_de_torsion|énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}son énergie cinétique à la date <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{pend. tors.}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique }}<math>J_{CO_{\text{sup}}}\,</math> est le moment d'inertie du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] relativement à la <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique <math>\color{transparent}{J_{CO_{\text{sup}}}}\,</math> est }}direction du fil de torsion et du fil sans torsion <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à l'instant <math>\,t\,</math> selon «<math>\;E_m(t) = K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Propriétés_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|propriétés de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] (2^ème propriété) » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha_0 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\alpha(0) = \alpha_0\;</math> et <math>\,\dot{\alpha}(0) = 0\;</math>». [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]]]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige <math>\,\big(</math>voir photographie ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec deux fils de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}il y a deux actions extérieures s'exerçant sur le solide « tige + masselottes » de moment scalaire non nul par rapport à <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}la direction commune <math>\,\Delta_C\,</math> des deux fils de torsion <math>\,\big(</math>orientée par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}élémentaire du solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}prouve le <u>caractère conservatif du couple de torsion du fil supérieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}supérieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = -d U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta = -d U_{\text{tors. sup.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. sup.}}}{d \theta} = C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\,</math> qui s'intègre en <math>\,U_{\text{tors. sup.}}</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,= \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> et, en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. sup.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du solide à l'équilibre » c.-à-d. <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre"> Revoir l'explication rappelée dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans le chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil supérieur du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta_1 - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_1 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion"> Symboliquement l'énergie potentielle d'un solide dans le champ de torsion d'un fil de torsion s'obtient, à une constante additive près, par la moitié du produit de la constante de torsion du fil et du carré de l'angle de torsion, à l'instant <math>\;t</math>, du fil au point d'attache du solide.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation élémentaire du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\; \theta(t)\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et prouve le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<u>caractère conservatif du couple de torsion du fil inférieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}inférieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = -d U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\;\theta\;d \theta = -d U_{\text{tors. inf.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. inf.}}}{d \theta} = C\; \theta\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{tors. inf.}} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} + cste_2\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. inf.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position du solide à l'équilibre » c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil inférieur du solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2} + cste_2 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_2 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}finalement l'énergie potentielle globale de torsion du solide « tige + masselottes » <math>\,\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale }}s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = U_{\text{tors. sup.}}(\theta) + U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» ou, en simplifiant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale s'écrit }}«<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2\;</math>» <ref> En effet <math>\,\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + 2\;C\; \theta_1^{\,2} + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + C\; \theta_1^{\,2} = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2</math>.</ref>{{,}} <ref> Cette énergie potentielle de torsion du solide « tige + masselottes » est la même que celle que l'on obtiendrait avec un seul fil de torsion de constante de torsion <math>\,2\,C</math>, l'autre fil étant sans torsion avec la référence en la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>.</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule ci-dessus étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «<math>\;\color{transparent}{K_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#%Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torion par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique de l'ensemble tige + masselottes) » plus haut dans ce chapitre.</ref> avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule }}<math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion des deux fils définie, à l'instant <math>\,t\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie mécanique }}«<math>\;E_m(t) = K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}\! \left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\alpha\;</math>» dans le 1^er exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] ou <br>{{Al|57}}celui «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta - \theta_1 \right]^2 \,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du 2^ème exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|même]] paragraphe <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}étant parabolique, nous retrouvons la <u>2^ème définition d’un oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math>de rotation<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_(équivalente)_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition (équivalente) énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. <br>{{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> de son mouvement dans le 2^ème exemple du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}«<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2 = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>», <br>{{Al|58}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}les C.I. <ref name="C.I." /> étant «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}est donc une <u>ellipse décrite dans le sens horaire</u> <ref name="portrait de phase d'un socillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Tracé_du_portrait_de_phase_de_la_charge_du_condensateur_d'un_«_R_L_C_série_»_soumis_à_un_échelon_de_tension_suivant_le_cœfficient_d'amortissement|propriétés des portraits de phase de la charge du condensateur d'un RLC série soumis à un échelon de tension suivant le cœfficient d'amortissement]] (cas d'un circuit oscillant non amorti en vert) » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. == Conservation de l’énergie mécanique du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) dans le champ de pesanteur uniforme == === Énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant === {{Al|5}}Dans le cas d'un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref><math>\big)</math>, le poids du solide étant la seule action extérieure travaillant et ce dernier étant conservatif <ref name="poids d'un objet conservatif"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Établissement_du_caractère_«_conservatif_»_du_poids_d'un_point_matériel_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|établissement du caractère conservatif du poids d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, }}on lui associe l'énergie potentielle de pesanteur «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta)\;</math>» <ref name="énergie potentielle de pesanteur"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#«_Énergie_potentielle_de_pesanteur_d'un_point_matériel_»_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|énergie potentielle de pesanteur d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> déterminée en intégrant «<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = -dU_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> avec <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)\,</math> travail élémentaire du poids lors d'une rotation élémentaire d'angle <math>\,d \theta = \dot{\theta}(t)\;dt\,</math> autour de <math>\,\Delta_O\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe «<math>\;\color{transparent}{\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)}\,</math>}}<math>= \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;dt = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)\;dt = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;d \theta\;</math>» <ref name="travail élémentaire du poids du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (actions extérieures exercées sur le solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> d'où <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}<math>\,-dU_{\text{pes}} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\;d \theta\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{pes}}}{d \theta}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\,</math> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right) + cste\;</math>» <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}soit, en choisissant comme référence de l'énergie potentielle <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> « la position <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}d'équilibre stable de ce dernier <ref name="équilibre stable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessous de ce dernier.</ref> <math>\,\theta_{\text{éq. stable}} = 0\;</math>» d'où <math>\,U_{\text{pes}}(0) = 0\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}<math>\Rightarrow</math> <math>\,0 = -m\;g\;\mathfrak{a} + cste\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = m\;g\;\mathfrak{a}\,</math> d'où l'expression de <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}l'énergie potentielle de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> se réécrit selon <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta \right) \right]\;</math>» <ref> Pour trouver l'expression de l'énergie potentielle de pesanteur on peut aussi utiliser <math>\,\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = m\;g\;dz_G = -dU_{\text{pes}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{pes}} = -m\;g\;z_G + cste\,</math> sachant que <math>\,z_G = \mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right)\,</math> avec pour position d'équilibre stable <math>\,z_{G,\,\text{éq. stable}} = \mathfrak{a}</math> <math>\;\ldots</math></ref> <math>\,\big(</math>référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : la position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement === {{Al|5}}Considérant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A." /><math>\big)</math>, l'énergie potentielle de pesanteur étant «<math>\;U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right] = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\,</math> avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> <math>\,\theta_{\text{équi. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P."/> » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> et <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie cinétique du solide constituant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique du solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> dans laquelle <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie cinétique}}«<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du solide par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie mécanique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> dans le champ de pesanteur «<math>\;E_m\!(t) = K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) + U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right]</math> <br>{{Al|23}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie mécanique du P.P.N.A. dans le champ de pesanteur «<math>\;\color{transparent}{E_m\!(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{P.P.N.A.}}(t) + U_{\text{pes}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P..P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\,\left[ 1 - \cos(\theta) \right]\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}n'étant pas parabolique <math>\,\big(</math>mais sinusoïdal<math>\big)</math>, nous pouvons affirmer que <u>le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> n'est pas un oscillateur harmonique</u> <math>\,\big(</math>quand il est en situation d'osciller<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <math>\blacktriangleright\;</math>« oscillatoire pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'énergie mécanique initiale du P.P.N.A. vaut «<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^2 + m\;g\; \mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta_0 \right) \right]\;</math>».</ref> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. est }}<math>\blacktriangleright\;</math>« révolutive pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="étude du mouvement d'un P.P.N.A. par diagramme d'énergies"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Étude_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_dans_le_cas_général_des_élongations_angulaires_non_petites_par_diagramme_énergétique|étude du mouvement du P.P.(N.A.) dans le cas général des élongations angulaires non petites par diagramme énergétique]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}de démontrer, avec utilisation simultanée de l'intégrale 1^ère énergétique <ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'intégrale 1^ère énergétique du P.P.N.A. s'écrit «<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^{\,2} + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet de démontrer, }}la nature « périodique <math>\,\big(</math>oscillatoire ou révolutive<math>\big)\;</math>» ainsi que <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}d’établir l’expression de la période sous forme intégrale <math>\ldots</math> {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Les [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d’un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ayant pour équation implicite l’intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\;</math><ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" /> de son mouvement lequel dépend de la valeur de l'énergie mécanique initiale <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />, <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. }}diffèrent suivant <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="différents portraits de phase d'un P.P.N.A."> Voir les paragraphes « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Tracé_des_portraits_de_phase_dans_le_cas_général_«_d'oscillations_ou_de_mouvement_révolutif_»_d'un_P.P.S._lancé_dans_les_C.I._«_1b_U_1a_»|tracé des portraits de phase dans le cas général d'oscillations ou de mouvement révolutif d'un P.P.S. lancé dans les C.I. 1b U 1a]] » du chap.<math>12</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\,\big(</math>l'allure des [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti étant la même que ceux d'un [[w:Pendule_simple|pendule simple]] non amorti<math>\big)\,</math> et « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Différents_portraits_de_phase_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté),_«_bifurcation_»_entre_mouvement_«_pendulaire_»_et_révolutif|différents portraits de phase du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté), bifurcation entre mouvement pendulaire et révolutif]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>pendulaire</u> <ref name="pendulaire"> Adjectif synonyme d'« oscillatoire ».</ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>fermé</u>, décrit dans le « <u>sens horaire</u> » <ref name="justification du sens horaire"> Ou « trigonométrique indirect », en effet « quand <math>\,\dot{\theta}\,</math> est <math>\,> 0</math>, <math>\,\theta \nearrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \nearrow\,</math> puis <math>\,\searrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule » ensuite «<math>\;\dot{\theta}\,</math> est <math>\,< 0</math>, correspondant à <math>\,\theta \searrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \searrow\,</math> puis <math>\,\nearrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule de nouveau » <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}avec le point «<math>\;\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)\;</math>» comme « <u>centre de </u>{{Nobr|<u>symétrie</u> » <ref name="justification du centre de symétrie"> Invariance de l’équation en changeant «<math>\;\theta\,</math> en <math>\,-\theta\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des vitesses angulaires <math>\,\big(</math>en fait antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>» et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Invariance de l’équation }}en changeant «<math>\;\dot{\theta}\,</math> en <math>\,-\dot{\theta}\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des abscisses angulaires <math>\,\big(</math>là encore c'est une antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|3}}l’association des deux symétries axiales <math>\,\big(</math>ou plutôt des deux antisymétries axiales<math>\big)\,</math> donnant un centre de symétrie pour l'intersection des deux axes <math>\,\big[</math>le point d'intersection des deux axes étant réellement une symétrie centrale <math>\,\big(</math>et non une antisymétrie centrale<math>\big)</math>.</ref>}} <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, avec le point «<math>\;\color{transparent}{\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)}\;</math>» }}correspondant à la position d’équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /> du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ; <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> }}<math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>révolutif</u>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>ouvert</u>, constitué de la <u>répétition du motif de l'intervalle</u><math>\;\left] -\pi\, , \, \pi \right]</math>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase }}répété <math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \nearrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} > 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 > 0\;</math>» ou <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase répété }}<math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \searrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} < 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 < 0\;</math>», <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)\;</math>» et celui avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,-\dot{\theta}_0 > 0 \right)\;</math>» <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, le portrait de phase avec C.I. «<math>\;\color{transparent}{\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)}\;</math>» }}étant <u>antisymétriques</u> l'un de l'autre, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>maxima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre stable</u> <ref name="équilibre stable du P.P." /> «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres stables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» ;<br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}\;</math>»<math>\big)\;</math> alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big)</math>.</ref> et <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>minima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre instable</u> <ref name="équilibre instable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessus de ce dernier.</ref> «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;</math> <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, les minima de<math>\;\color{transparent}{\vert \dot{\theta} \vert}\;</math>obtenus pour les positions d’équilibre instable «<math>\;\color{transparent}{\theta_{\text{éq. inst.}} =}</math> }}<math>\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres instables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = -\left( 2\;p' + 1 \right)\, \pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big[</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big]\;</math>.</ref>. == « Généralisation » à tout « solide » : « théorème de la variation de l’énergie mécanique » et la forme locale associée « le théorème de la puissance mécanique », application au cas d’un solide amorti == {{Al|5}}Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à la généralisation à tout système de points matériels ou continu de matière « indéformable » <ref name="solide au sens de la mécanique" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à }}la généralisation aux systèmes de points matériels ou continus de matière « déformables » sera faite dans le chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Lois_de_l'énergie_cinétique_pour_un_système_déformable_de_points_matériels#«_En_complément_»,_théorème_de_la_variation_de_l’énergie_mécanique_appliqué_à_un_système_de_matière_déformable_dans_le_champ_des_forces_extérieures_et_intérieures_conservatives_et_sa_forme_locale_«_le_théorème_de_la_puissance_mécanique_»|en complément : théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un système de matière déformable dans le champ des forces extérieures et intérieures conservatives et sa forme locale le théorème de la puissance mécanique]] » du chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. === Théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s’écrivant «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\bullet\;</math>celles qui sont conservatives <math>\,\big(</math>lesquelles « dérivent » d’une énergie potentielle<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{ransparent}{\bullet}\;</math>}}dont le travail pendant cette durée finie est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées }}<math>\bullet\;</math>celles qui sont non conservatives <ref name="non conservatives"> Ou, si elles sont conservatives, dont on ne considère pas le caractère « conservatif ».</ref> dont le travail pendant cette durée finie <br>{{Al|12}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>celles qui sont non conservatives dont }}est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}d'où «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou, avec «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, }}<math>\big(U_{\text{ext}}\,</math> étant l'énergie potentielle dont dérivent les forces conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, <math>\color{ransparent}{\big(}</math>}}définie à une constante additive près précisée par choix de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}<math>\Rightarrow</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» d’où la réécriture du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « solide <math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\left( \mathcal{S} \right)} + U_{\text{ext}} \right] = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» où on reconnaît dans le 1^er membre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}la variation de l’énergie mécanique «<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t) + U_{\text{ext}}\!(t)\;</math>» du solide «<math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le champ des forces conservatives sur la durée <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> dans le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où dans le champ des forces conservatives }}référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen d'où, finalement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}le lien entre la variation de l'énergie mécanique du « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;\Delta E_m = E_{m,\,\mathcal{F}} - E_{m,\,\mathcal{I}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» le lien }}le travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> sur cette même durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}«<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» applicable à un solide dans un référentiel d’étude galiléen, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}l'énoncé du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie dans un référentiel galiléen <ref> Ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. sous la forme où il existe des forces extérieures non conservatives dissipatives mais, comme le cas où toutes les forces extérieures travaillant sont conservatives est clairement explicité <math>\,\big(</math>sous la forme de la conservation de l’énergie mécanique du solide<math>\big)</math>, le cas où il existe des forces extérieures travaillant et non conservatives <math>\,\big(</math>comme des forces de frottement<math>\big)\,</math> s’appliquant à un solide peut difficilement être ignoré d'où l'ajout du théorème sous sa forme la plus générale <math>\;\ldots</math></ref>. : {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}<math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <math>\,K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation «<math>\;\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» }}égale au travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale au travail }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire dans un référentiel galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique }}se déduit aisément de sa forme sur une durée finie soit {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}conservatives <math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}<math>K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> <math>\color{transarent}{K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)}\,</math> l'énergie cinétique }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation élementaire«<math>\;d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t)\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» }}égale au travail élémentaire des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» égale au travail }}appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;d E_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide }}est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée finie ou élémentaire se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>». === Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de la puissance mécanique est la forme locale associée à la forme intégrée <ref name="forme intégrée de forme locale" /> “ théorème de la variation de l'énergie mécanique sur une durée finie ou élémentaire ” ; {{Al|5}}pour obtenir cette forme locale on écrit le théorème de la variation de l’énergie mécanique d’un solide dans le champ des forces extérieures conservatives entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math><ref> C.-à-d. la forme élémentaire du théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un solide.</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on écrit }}«<math>\;dE_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\,</math> dans un référentiel galiléen » puis, <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on divise les deux membres par <math>\,dt\,</math> soit «<math>\;\dfrac{dE_m}{dt} = \dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{dE_m}{dt}\;</math>» est la dérivée temporelle de l’énergie mécanique du solide dans le champ des forces extérieures conservatives définissant <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}la puissance mécanique du solide à l'instant <math>\,t\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives, notée «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» la puissance instantanée développée, à l'instant <math>\,t</math>, par les forces extérieures non conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}appliquées au solide notée «<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on obtient «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» d'où l'énoncé du théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen : {{Théorème|titre=Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide »|contenu = {{Al|5}}La puissance mécanique à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> <math>\big[</math>avec, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie mécanique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{ext}}(t)}\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces }}conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math>» l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique }}est égale à la puissance instantanée développée par les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique est égale à }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> au même instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide à un instant <math>\,t\,</math> quelconque se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}c.-à-d., après intégration, « la conservation de l’énergie mécanique du solide précédemment défini ». === Application au cas d’un solide amorti === {{Al|5}}Parmi les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées à un solide et travaillant, « les plus fréquentes sont dissipatives » <ref> Mais elles peuvent aussi être motrices par exemple, si nous souhaitons que les oscillations d’un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ou d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] perdurent alors qu’existent naturellement des frottements {{Nobr|<math>\,\big(</math>même}} minimes<math>\big)</math>, il est nécessaire de les entretenir à l’aide d’une force extérieure motrice compensant les forces de frottement, cette force motrice étant alors usuellement non conservative tout comme le sont les forces de frottement.</ref> comme les forces de frottement fluide <math>\,\big(</math>ou solide<math>\big)</math> ; {{Al|5}}si les seules forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> travaillant sont des forces de frottement s'exerçant sur un solide en mouvement dans un référentiel galiléen, <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces }}conservatives <ref name="théorème de la puissance mécanique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_la_puissance_mécanique_appliqué_à_un_«_solide_»|théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}s’écrivant «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{frott}}\!(t) < 0\;</math>» dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}l'énergie mécanique de ce solide «<math>\;E_m(t) \searrow\,</math> au sens strict » avec <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}</math> <math>\big(</math>il est qualifié d'« amorti »<math>\big)</math>. ==== Cas particulier du pendule de torsion amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] dont la photographie est dans un « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|paragraphe plus haut dans ce chapitre]] » mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}avec les masselottes remplacées par des ailettes comme présenté dans le schéma de vue de dessus de la « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|remarque du paragraphe précité]] », <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d'un fil et sa conservation en absence de frotemment]] (2^ème exemple) » plus haut dans ce chapitre dans lequel <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> doit être remplacée par <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})</math>.</ref> dans le référentiel <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « }}<math>\big\{</math>avec <math>\,U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> la position d'équilibre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « <math>\color{transparent}{\big\{}</math>avec <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2}\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence }}du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}on en déduit la puissance mécanique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;\dot{E}_m(t) = J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + 2\;C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]\,\dot{\theta}(t)\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}la puissance du couple de frottement fluide linéaire <math>\,\big(</math>seules forces extérieures non conservatives travaillant de moment scalaire par rapport à l'axe de rotation du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion la puissance du couple de frottement fluide linéaire <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>}}<math>\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion" />, <math>\,H\,</math> étant une constante positive <ref> Exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frottent les ailettes.</ref><math>\big)\,</math> <br>{{Al|6}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion la puissance du couple de frottement fluide linéaire }}agissant sur les ailettes du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étant «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] (remarque : actions extérieures exercées sur l'ensemble “ tige et ailettes ”) » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}le théorème de la puissance mécanique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» ou <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» ou encore, <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + 2\;C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]\,\dot{\theta}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}après simplication par <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> non identiquement nulle <ref name="hors position d'équilibre" /> et normalisation <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <ref> Identique à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Identique }}à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] (2^ème exemple où les masselottes sont remplacées par des ailettes) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <center>«<math>\;\ddot{\theta}(t) + + \dfrac{H}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta_1\;</math>».</center> ==== Cas particulier du pendule pesant à un degré de liberté amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] à un degré de liberté dont le schéma est dans un « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|paragraphe plus haut dans le chapitre]] » dans lequel <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}des frottements fluides linéaires agissent sur le [[w:Pendule_pesant|pendule]] comme présentées dans le schéma de la « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|remarque du paragraphe précité]] », <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}l'énergie mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frotemment]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> dans le référentiel <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen, <br>{{Al|12}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté l'énergie mécanique du P.P.A. étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « }}<math>\big\{</math>avec <math>\,U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\,</math> l'énergie potentielle de pesanteur de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> <br>{{Al|12}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté l'énergie mécanique du P.P.A. étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « <math>\color{transparent}{\big\{}</math> }}la position d'équilibre stable du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> <math>\,\theta_{\text{équi. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P."/><math>\big\}</math>, {{Al|5}}à la force extérieure «<math>\;m\;\vec{g}\;</math>», conservative, s'exerçant sur le P.P.A. <ref name="P.P.A." /> et « dérivant » de l'énergie potentielle de pesanteur de ce dernier, à savoir «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) =</math> <math>m\;g\;\mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos(\theta) \right]\;</math>» <math>\;\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre stable du solide <math>\;\theta_{\text{éq. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P." /><math>\big)\;</math><ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, il convient d'ajouter {{Al|5}}les forces de frottement fluide linéaire dont le moment scalaire relativement à l'axe <math>\;\Delta_O\;</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t) = -H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» a été établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « Mécanique 2 (PCSI) » <math>\;\big[H\;</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du pendule, de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel il frotte<math>\big]\;</math> montre que ces forces de frottement est un système non conservatif <ref name="raison du caractère non conservatif" />, la puissance de ces forces de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\;t</math>, selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right] =</math> <math>\mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t)\;\dot{\theta}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}l'énergie mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> étant «<math>\;E_m(t) = K(t) + U_{\text{pes}}\!\left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> à l'instant <math>\;t\;</math> dans le référentiel d'étude <math>\;\mathcal{R}</math>, <math>\;\big[J_{\Delta_O}\;</math> étant le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> relativement à son axe <math>\;\Delta_O\;</math> de rotation <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /><math>\big]\;</math> on en déduit aisément, dans <math>\;\mathcal{R}\;</math> et à l'instant <math>\;t</math>, la puissance mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en formant <math>\;\dot{E}_m(t) = \dfrac{d E_m}{dt}(t)\;</math> puis {{Al|5}}l’application du théorème de la puissance mécanique au P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> nous conduit à «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right]\;</math>» ou «<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» soit encore, {{Al|5}}en explicitant la dérivée temporelle de l’énergie mécanique puis en divisant par «<math>\;\dot{\theta}\!(t)\;</math>», l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon «Mécanique 2 (PCSI)» à savoir <center>«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) + H\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>».</center> == Notes et références == <references /> {{Bas de page | idfaculté = physique | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie|Approche énergét. du mouv. d'un sol. en rotat. autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels|Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels]] }} sqsukk21a5zrlbhuyztebowjnapl73u 987951 987950 2026-11-01T02:53:05Z Phl7605 31541 /* Cas particulier du pendule pesant à un degré de liberté amorti par frottement fluide linéaire */ 987951 wikitext text/x-wiki {{Chapitre | idfaculté = physique | numéro = 12 | niveau = 14 | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie/]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels/]] }} <center>Ce chapitre est traité dans le cadre de la dynamique newtonienne avec ajout de quelques éléments de dynamique relativiste.</center> == Théorème de l'énergie cinétique d’un système de matière, cas d’un solide en rotation autour d’un axe fixe == {{Al|5}}Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}est évidemment à connaître comme forme intégrée de la forme locale <ref name="forme intégrée de forme locale"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Lois_de_la_puissance_et_de_l'énergie_cinétiques#Différence_entre_«_forme_locale_de_la_dynamique_»_et_«_forme_intégrée_associée_à_cette_forme_locale_»|différence entre forme locale de la dynamique et forme intégrée associée à cette forme locale]] » du chap.<math>15</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> « théorème de la puissance <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}cinétique d'un système de matière » laquelle est inscrite explicitement dans le programme <math>\;\ldots</math> === Définition du travail du système des forces extérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque"> Par « système de matière quelconque » il faut entendre « système fermé discret de points matériels ou continu de matière » « déformable ou non ».</ref> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1"> A priori <math>\,N\,</math> pourrait être égal à <math>\,1\,</math> mais ce ne serait plus un système de points matériels mais un simple point matériel.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes"> C.-à-d. l’ensemble des paramètres de position et de vitesse de tous les points à l'instant de définition de l'état, tous ces paramètres permettant d’y décrire le système.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> entre }}l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Expression_du_travail_élémentaire_de_la_force_dont_le_point_d’application_subit_le_vecteur_déplacement_élémentaire_correspondant_à_la_durée_élémentaire_de_développement_de_sa_puissance|expression du travail élémentaire de la force dont le point d'application subit le vecteur déplacement élémentaire correspondant à la durée élémentaire de développement de sa puissance]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - bis"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="infiniment proches"> Instants infiniment proches.</ref>, son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité volumique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance volumique <math>\,\mathcal{P}_{\text{vol},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t)</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité surfacique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance surfacique <math>\,\mathcal{P}_{\text{surf},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) =</math>}} <math>\sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité linéique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance linéique <math>\,\mathcal{P}_{\text{lin},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right] dt\;</math>».</ref>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« chaque point <math>\,\color{transparent}{M_i}\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> entre «<math>\;\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\;</math>» }}son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\,</math> étant aussi tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces extérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces extérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" />. === Définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est également présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2"> Pour l'existence de forces intérieures appliquées à un système, <math>\,N\,</math> doit être évidemment <math>\,\geqslant\,</math> à <math>\,2</math>.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes" /> et l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" /> sachant que <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir }}le système des forces intérieures s'exerçant sur le système discret fermé de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le système des forces intérieures }}est défini comme « l'ensemble des forces <math>\,\vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t)\,</math> que chaque point <math>\,M_j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, exerce sur chaque point <math>\,M_i,\;\;i \neq j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math>» <ref name="système de forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Forces,_principe_des_actions_réciproques#Système_des_forces_intérieures_s’exerçant_sur_un_système_de_points_matériels_fermé|système des forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math> entre les instants <math>\;t\;</math> et <math>\;t + dt\;</math> selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i} \right]\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - ter"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> dans lequel, chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \mu(M')\;d \mathcal{V}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bivolumique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}}{d \mathcal{V}_{M'}\;d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \sigma(M')\;d S_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\;</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bisurfacique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}}{d S_{M'}\;d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \lambda(M')\;d \mathit{l}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\;\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bilinéique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}}{d \mathit{l}_{M'}\;d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace dt\;</math>».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces intérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces intérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière" />. {{Al|5}}<u>Remarque 1</u> : Le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures }}peut aussi être défini à partir de la puissance instantanée développée par les forces intérieures s’exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="définition de la puissance développée par les forces intérieures"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Définition_2|définition]] (de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures peut aussi être défini }}selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - tetra"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : }}le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}s'obtenant en ajoutant tous les travaux élémentaires de <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}peut se calculer à partir de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> peut se calculer }}par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>». {{Al|5}}<u>Remarque 2</u> : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math><ref name="définition du référentiel Rj"> Le référentiel «<math>\;\mathcal{R}_j\;</math>» est le référentiel lié à <math>\,M_j\,</math> en translation par rapport au référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#cite_note-puissance_des_forces_intérieures_s'exerçant_sur_système_continu_de_matière_-_ter-55|⁵⁵]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> dans le référentiel <math>\,\color{transparent}{\mathcal{R}}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}_{\text{int}}(t)}</math> }}<math>= \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Autres_expressions_équivalentes|autres expressions équivalentes]] de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj"> Le point <math>\,M_i\,</math> décrivant dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_j</math> <math>\,\big[</math>lié à <math>\,M_j\,</math> et en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\big]\,</math> une trajectoire particulière <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}\;</math> entre les deux instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t)\big]\,</math> étant tangent à <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}</math>.</ref> ou <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures «}}<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right]\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : }}de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière" />{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" />{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" />. {{Al|5}}<u>Remarque 3</u> : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nulle <ref name="puissance des forces intérieures en général non nulle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (1^ère conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu"> Système discret de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique"> Le système se comporte donc comme un solide au sens de la mécanique.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures nulle pour un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (3^ème conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = 0\;\;\forall\;t\,</math> pour <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = 0\;\;\forall\;\left[ t\,,\,t + dt \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> le devient }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = 0\;\;\forall\;\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> ». === Théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Partant du théorème de la puissance cinétique appliqué, à l'instant <math>\,t</math>, à un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Énoncé|énoncé]] du théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> dans lequel <math>\,\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math> est la puissance cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{ext}}(t)\,</math> la puissance développée par les forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\,</math> celle développée par les forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la même date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on multiplie par <math>\,dt\,</math> pour obtenir la forme élémentaire du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir la forme élémentaire }}entre «<math>\;t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\;</math>» où <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> est la variation élémentaire d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{ext}}\,</math> le travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{int}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur le même <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on intègre entre <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique }}entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec <math>\,\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\,</math> variation d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\,</math> }}sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> le travail des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> le travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> celui des forces intérieures }}sur le même <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>. {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> étant nul quel que soit le mouvement du système » <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Définition_du_travail_du_système_des_forces_intérieures_appliquées_à_un_«_système_de_matière_»_entre_un_état_initial_et_un_état_final|définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un système de matière entre un état initial et un état final]] (remarque 3) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul }}<math>\Rightarrow</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide sous sa forme élémentaire ou <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide }}sur une durée finie : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière en translation » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière"> Système fermé discret fermé de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> en translation » <ref name="système en translation"> Un « système de matière en translation » ne se déformant pas peut aussi être qualifié de « solide » au sens de la mécanique.</ref>, tous les points ont le même vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> égal à celui du C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> <math>\,G\,</math> du système, d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\!G}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <ref name="signification du travail élémentaire développé par les forces extérieures appliquées à un système en translation"> Dans cette 3^ème expression «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» est aussi « le travail élémentaire qui serait développé, sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\,t + dt \right],</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>, par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans <math>\,\mathcal{R}\;</math>» <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», ce dernier s'obtenant par application du théorème du mouvement du C.D.I. <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Principe_fondamental_de_la_dynamique_et_théorème_de_la_résultante_cinétique#Énoncé_du_théorème_(dynamique_newtonienne)|énoncé du théorème (dynamique newtonienne)]] du mouvement du C.D.I. d'un système » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> correspondant aussi à l'application de la r.f.d.n. <math>\,\big(</math>relation fondamentale de la dynamique newtonienne<math>\big)\,</math> au point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>» sur lequel s'exercerait la résultante dynamique<math>\big\}</math>.</ref> dans laquelle «<math>\;\vec{F}_{\text{ext}}(t)\;</math> est la résultante <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}«}}dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» <ref> Voir les paragraphes « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_en_translation_»|cas d'un système de matière en translation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » et « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissancce développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces intérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{int},\,\text{syst. en transl.}} = 0\;</math>» <ref name="système en translation" />{{,}} <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>de la variation élémentaire de l'énergie cinétique du système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en transl.}}\;</math>» avec «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="signification de l'énergie cinétique d'un système en translation"> Dans cette 2^ème expression «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» est aussi « l'énergie cinétique newtonienne du point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans {{Nobr|<math>\,\mathcal{R}\,</math>»}} <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», tous les points du système en translation ayant même vitesse que le C.D.I. <math>\,G\big\}</math>.</ref> l'énergie cinétique <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, dans le cadre de la cinétique newtonienne <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en translation"> Voir le paragraphe « énergie cinétique dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Cas_d'un_système_en_translation|cas d'un système en translation]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique }}appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" />{{, }} <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque dans un référentiel galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> nous obtenons : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un référentiel <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière en translation <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> étant le C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> et <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =}</math> }}la résultante dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\,</math> ou <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste"> Applicable sous cette forme dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste.</ref> avec <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="système fermé de matière" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système en translation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =</math> <math>K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail effectué par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail effectué par la résultante dynamique }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <br>{{Al|208}}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Ce théorème <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais il doit bien sûr être connu <ref> Sans doute ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. car on considère usuellement un système de matière en translation comme un point matériel <math>\,\big(</math>le C.D.I. <math>\,G\,</math> du système<math>\big)\,</math> sur lequel s'exerce la résultante dynamique du système et, selon ce point de vue, le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un système de matière en translation n'est rien d'autre que le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un point matériel, lequel est, quant à lui, au programme <math>\;\ldots</math></ref>. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}<u>Préliminaire</u> : Un « système <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » peut, a priori, se déformer <ref name="système en rotation autour d'un axe"> Par exemple, en se dilatant, c.-à-d. que chaque point du système, en plus de sa rotation autour d'un axe fixe, s'éloigne radialement de cet axe <math>\,\big(</math>la vitesse d'éloignement pouvant être différente d'un point à un autre<math>\big)\,</math> mais dans ce cas il ne s'agit pas d'une rotation « pure » <math>\;\ldots</math> <br>{{Al|3}}Pour maintenir une même vitesse angulaire à un instant <math>\,t\,</math> pour tous les points d'un « système déformable », il faut que le mouvement orthoradial de chacun des points soit corrélé au mouvement radial correspondant, avec absence de mouvement axial, c.-à-d. que, pour deux points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> tels que la droite <math>\,M_iM_j\,</math> recoupe l'axe <math>\,\Delta\,</math> perpendiculairement en <math>\,H_{i,\,j}</math>, <math>\,\big[</math>les points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> ayant donc même abscisse angulaire <math>\,\theta_{i,\,j}(t)\big]\,</math> on ait <math>\,\dot{\theta}_{i,\,j}(t) = \overline{\Omega}(t)</math> <math>\,\big[</math>donc indépendant de <math>\,\left( i\,,\, j \right)\big]\,</math> pour tout instant <math>\,t\,</math> et pour tout couple <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> dont les éléments ont même abscisse angulaire, ces conditions étant très contraignantes sont quasiment jamais réalisées naturellement <math>\;\ldots</math></ref>, toutefois, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Préliminaire : un « système <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>fermé<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » }}il est, en pratique, indéformable et est alors qualifié de « solide » au sens de la mécanique ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Préliminaire : }}l’exposé ci-dessous s'applique à un système discret <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de points matériels ou un système continu <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}<u>Exposé</u> : Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière" /> indéformable, en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe <math>\,\Delta</math>, fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen », <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}tous les points ont le même vecteur rotation instantanée <math>\,\vec{\Omega}(t) = \overline{\Omega}(t)\;\vec{u}_{\Delta}\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\big[\vec{u}_{\Delta}\,</math> étant le vecteur unitaire orientant l'axe de rotation <math>\,\Delta\,</math> et <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\big[}</math>}}autour de cet axe de rotation <math>\,\Delta\big]\,</math> d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe"> Expression ne nécessitant pas que l'axe <math>\,\Delta\,</math> soit fixe, la fixité de l'axe dans un référentiel intervenant quand ce dernier est galiléen et quand on utilise l'un des théorèmes fondamentaux de la dynamique de rotation des systèmes <math>\,\big\{</math>par exemple le théorème de l'énergie cinétique établi dans ce paragraphe mais le traavail élémentaire déveeloppé par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» ne nécessite pas que <math>\,\Delta\,</math> soit fixe<math>\big\}</math>.</ref>{{,}} <ref name="travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur un système en rotation"> Voir le paragraphe « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> {{Nobr|«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)</math>}} <math>= \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;</math>» et le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\delta W\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right] = \mathcal{P}\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right]\;dt\;</math>» puis, en faisant la somme membre à membre de façon à définir le travail élémentaire du sytème des forces extérieures s'exerçant sur le système en rotation «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)\;dt\;</math>».</ref> où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> est le moment <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» ou, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>du travail élémentaire }}avec «<math>\;\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta\;</math>» dans lequel <math>\,\theta(t)\,</math> est l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, la réécriture <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>,«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>de la variation de l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}}\;</math>» avec, l'énergie cinétique, à l'instant <math>\,t</math>, de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le cadre de la cinétique newtonienne «<math>\;K_{\text{syst. en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en rotation autour d'un axe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d’un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d’un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> avec «<math>\;J_\Delta\,</math> le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}relativement à <math>\,\Delta\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe"> Voir la notion de moment d'inertie d'un système discret ou continu dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Application_à_un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe#Application_au_cas_d'un_«_système_fermé_de_matière_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe_«_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|application d'un système fermé de matière en rotation autour d'un axe Δ fixe quelconque dans un référentiel d'étuide galiléen]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> d'où, en cinétique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> appliqué à un solide <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_solide_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d'un système }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> avec «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» et «<math>\;\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <math>\,\overline{\Omega}(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}<math>= \dot{\theta}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> encore égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>avec <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> et <math>\,\theta(t)\,</math> l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" />, sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail du moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail du }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[\theta(t)\,</math> étant l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation est égale au travail du «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[\theta}\,</math> étant l'abscisse angulaire }}à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> étant le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = 2\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)}\;</math>» <math>\,\big[</math>}}<math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] <math>\,\big(</math>photographié ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_(non_amorti)|mise en équation différentielle du mouvement du pendule de torsion (non amorti)]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Théorème_de_la_puissance_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_autour_d'un_axe_Δ_fixe_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe dans un référentiel d'étude galiléen]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. {{Al|5}}Ci-contre le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec deux fils de torsion identiques de même constante de torsion «<math>\;C\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec }}positions de masselottes identiques <math>\,\big(</math>sauf pour la couleur<math>\big)\,</math> de part et d'autre du point <math>\,C\,</math><ref name="distinction entre point d'attache des fils sur la tige et constante de torsion des fils"> On accepte la même notation pour le point d'attache des deux fils sur la tige et la constante de torsion de ces derniers tant qu'il n'y a pas d'ambiguïté <math>\,\big(</math>ce qui ne devrait jamais arriver compte-tenu du fait que ces deux grandeurs sont de nature différente<math>\big)</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec positions de masselottes identiques }}<math>\,\big(C\,</math> point d’attache des deux fils de torsion sur la tige<math>\big)</math> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre <math>\,\big(</math>en absence de masselottes<math>\big)\,</math> diffère du « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] » de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici l'extrémité supérieure <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil de torsion supérieur est mobile au lieu d'être fixe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur étant dans les deux fixe et <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici la torsion initiale est fournie par rotation propre de <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> d'un angle «<math>\;2\,\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>repéré sur le cercle gradué lié à <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}</math>, position de référence du cercle gradué<math>\big)\,</math> <math>\Rightarrow</math> en pratique, après quelques oscillations, la tige <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}acquiert la position d'équilibre repérée par l'angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>voir vérification ci-dessous<math>\big)\,</math> alors que <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] la torsion initiale est fournie par rotation de la tige d'un angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>également repéré <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>dans le pendule du chap.7 }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}\big)</math>, la position d'équilibre de la tige étant repérée par l'angle nul ; {{Al|5}}<u>vérification de la position d'équilibre de la tige dans le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}orientant les deux fils de torsion du bas vers le haut, quand la tige acquiert la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion supérieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche"> Une hélice est « droite » si le point tourne sur la gauche <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique direct ou encore dans le sens antihoraire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée et <br>{{Al|31}}elle est « gauche » si le point tourne sur la droite <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique indirect ou encore dans le sens horaire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée <br>{{Al|3}}<math>\,\big[</math>revoir aussi la distinction « hélices gauche ou droite » dans le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Mouvement_de_particules_chargées_dans_des_champs_électrique_et_magnétique_:_Cas_particulier_d'un_champ_magnétostatique_uniforme#Nature_hélicoïdale_uniforme_du_mouvement_de_la_particule|nature hélicoïdale uniforme du mouvement de la particule]] » du chap.<math>24</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> d'un angle «<math>\;\theta_1 - 2\;\theta_1 = -\theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil"> L'angle de torsion du fil qui intervient dans le vecteur moment du couple de torsion est l'angle que fait l'extrémité mobile relativement à l'extrémité maintenue fixe même si cette extrémité est fixée avec torsion initiale comme c'est le cas pour le fil supérieur <math>\,\big\{</math>on peut vérifier que cette définition correspond bien au schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » car {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{A_0B_0}\;</math>»}} est lié à l'extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil supérieur et «<math>\;\overrightarrow{AB}\;</math>» à l’extrémité mobile <math>\,C\,</math> et il en est de même pour l'éventuel fil de torsion inférieur<math>\big\}</math>.</ref> par rapport à son extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion supérieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} = -C \left( -\theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion inférieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche" /> d’un angle «<math>\;\theta_1 - 0 = \theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil" /> par rapport à l’extrémité <math>\;O_{\text{inf}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion inférieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = -C \left( \theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = -C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur la tige vérifiant «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} + \vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = \vec{0}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur }}la tige est effectivement en équilibre dans cette position <math>\;\ldots</math> {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <math>\,\big\{</math>ensemble solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC"> L'axe <math>\,\Delta_C\,</math> est le support des fils de torsion.</ref> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemb}}le solide étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles"> Repérée par rapport à la position de l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemble solide étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des masselottes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des masselottes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des masselottes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur"> L'angle de torsion du fil supérieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 2\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation"> Il s'agit de l'application de la puissance instantanée développée par un système de forces extérieures sur un solide en rotation autour d'un axe fixe <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d'un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> quand le système de forces extérieures est équivalent à un couple <math>\,\big[</math>c.-à-d. un système dont la résultante est nulle et dont le moment résultant scalaire relativement à l'axe de rotation définit le moment scalaire du couple<math>\big]</math>.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur"> L'angle de torsion du fil inférieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 0 = \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cin%C3%A9tique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d'un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;</math> est le moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et masselottes » en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_C\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre"> Ce qui suppose que <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> est non identiquement nulle <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\theta(t)\,</math> n'est pas une constante c.-à-d. que le solide n'est pas à sa position d'équilibre.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à droite «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta_1\;</math>», équation différentielle linéaire <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants sans terme du 1^er ordre hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_non_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition non énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] », la présence d'un 2^nd membre constant signifiant que le paramètre caractérisant l'oscillateur dans l'espace n'est pas nul à l'équilibre.</ref> de rotation ; {{Al|5}}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Conséquence_«_le_pendule_de_torsion_(non_amorti)_est_un_oscillateur_harmonique_non_amorti_de_rotation_»|conséquence : le pendule de torsion (non amorti) est un oscillateur harmonique non amorti de rotation]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » ; [[File:Pendule de torsion amorti - vue de dessus.png|thumb|300px|Vue de dessus d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti par substitution d'ailettes planes aux masselottes fixées sur la tige <math>\,\big(</math>les fils de torsion supérieur et inférieur <math>\,\perp\,</math> au plan de la figure ne peuvent y être représentés<math>\big)</math>]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> du }}<math>\big(</math>voir vue de dessus partielle représentée ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre étant écarté initialement comme celui de début de paragraphe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, le pendule ci-contre étant écarté initialement }}la tige acquiert donc une position d'équilibre repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}l'ensemble « tige et ailettes » étant un solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC" /> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant }}le solide est, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant le solide est, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}les actions extérieures sont <math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des ailettes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{ailettte}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des ailettes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des ailettes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{ailette}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu dans lequel se déplace le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] exercent sur les ailettes, modélisées par un <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> }}couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Couple_de_frottement_fluide_linéaire_agissant_sur_le_pendule_par_l’intermédiaire_des_ailettes|couple de frottement fluide linéaire agissant sur le pendule par l'intermédiaire des ailettes]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple }}<math>\big[H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}et du fluide sur lequel frottent les ailettes<math>\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide la puissance instantanée }}selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\,</math> est le moment d'inertie du solide « tige + ailettes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et ailettes » en rotation autour de <math>\,\Delta_C\,</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t) - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t) - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1 - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étudié «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta_1\;</math>», équation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}différentielle linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique" /> de rotation ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Loi_horaire_de_position_angulaire_du_pendule_de_torsion_amorti|loi horaire de position angulaire du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ». == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule pesant non amorti à un degré de liberté - forces extérieures.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté <math>\,\big(</math>schématisé ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_non_amorti_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_du_moment_cinétique_scalaire|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant non amorti (à un degré de liberté) par application du théorème du moment cinétique scalaire]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />. {{Al|5}}Ci-contre schéma de face du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] idéale <ref name="liaison idéale"> C.-à-d. dans laquelle on peut négliger les frottements solides.</ref> du solide en rotation autour de l’axe horizontal <math>\,\Delta_O\;</math><ref name="liaison pivot du pendule"> Pour plus de détails voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Présentation_du_pendule_pesant_(non_amorti)_«_P.P.(N.A.)_»|présentation du pendule pesant (non amorti) P.P.(N.A.)]] (liaison pivot avec le point O) » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Non Amorti.</ref> à un degré de liberté ayant un mouvement de rotation imposé par la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] du solide avec l'axe <math>\,\Delta_O</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté }}son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,O</math>, d'axe <math>\,\Delta_O\,</math> orienté par le vecteur unitaire «<math>\;\vec{u}_{\Delta_O}\;</math>» et <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,\color{transparent}{O}</math>, }}de rayon «<math>\;\mathfrak{a}\;</math>» avec, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. }}<math>G\,</math> repéré par son abscisse angulaire «<math>\;\theta_G(t) = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\overrightarrow{OG}(t) \right\rbrace} = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\vec{u}_r(t) \right\rbrace}\;</math>» <ref name="noté theta"> Noté «<math>\;\theta(t)\;</math>» par la suite en absence d'ambiguïté.</ref> ; {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = \left[ \overrightarrow{OG}(t) \wedge m\;\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_O} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids"> Le moment vectoriel du poids par rapport à <math>\,O\,</math> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)\;</math>» a établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_liaison_sphérique_et_avec_les_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b),_établissement_de_la_nature_plane_du_mouvement_du_C.D.I._G_du_P.P.(N.A.)|dans le cas d'une liaison sphérique et avec les C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), établissement de la nature plane du mouvement du C.D.I. G du P.P.(N.A.)]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] », soit «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\varphi_G}(t)\;</math>» avec <math>\,\vec{u}_{\varphi_G}\,</math> s'identifiant à <math>\,\vec{u}_{\Delta_O}</math>. <br>{{Al|3}}On pouvait aussi déterminer directement le moment scalaire du poids, le schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_«_liaison_pivot_»_ou_d’une_«_liaison_sphérique_avec_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b)_»,_nouveau_repérage_adapté_à_la_nature_rotatoire_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_à_un_degré_de_liberté|dans le cas d'une liaison pivot ou d'une liaison sphérique avec C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), nouveau repérage adapté à la nature rotatoire du mouvement du P.P.(N.A.) à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » étant fait avec le paramètre de position angulaire <math>\,\theta > 0</math>, on observe que le poids tend à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,-\,</math> avec un bras de levier <math>\,\big(</math>distance orthogonale séparant l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du support de <math>\,m\;\vec{g}\big)\,</math> égal à <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où, dans le cas où <math>\,\theta\,</math> est <math>\,> 0</math>, {{Nobr|«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)</math>}} <math>= - \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>» <math>\,\Big\{</math>le résultat est indépendant du signe de <math>\,\theta\,</math> mais si le schéma était fait avec <math>\,\theta < 0</math>, on observerait que le poids tendrait à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,+\,</math> avec un bras de levier <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = + \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = m\;g\;\left[ -\mathfrak{a}\; \sin(\theta) \right] = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>», soit effectivement le même résultat <math>\,\big[</math>avec toutefois une possibilité d'erreur si on oubliait que <math>\,\theta < 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert = -\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\big]\Big\}</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_particulier_où_M_est_en_mouvement_circulaire_d'axe_Δ_et_de_vitesse_angulaire_instantanée_Ω(t)|cas particulier où M est en mouvement circulaire d'axe Δ et de vitesse angulaire instantanée Ω(t)]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> de la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I."> Conditions Initiales.</ref> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O"> On a établi dans la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#cite_note-réduction_à_deux_composantes_de_la_réaction_dans_ces_C.I.-18|¹⁸]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » que la réaction du point <math>\,O\,</math> dans l'hypothèse d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] sur le pendule lancé dans les C.I. <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\,</math> ou <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\,</math> s'écrirait <math>\,\vec{R}(t) =</math> <math>R_{\rho_G}(t)\;\vec{u}_{\rho_G}(t) + R_z(t)\;\vec{u}_z</math>, c.-à-d. que la réaction serait dans le plan vertical de lancement soit encore «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» ; <br>{{Al|3}}on établit de même <math>\,\big[</math>sans que cela ait été exposé dans le chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> que la réaction de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le pendule quels que soient les C.I. de lancement compatibles avec la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] s'écrit «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>».</ref> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul"> En effet la force étant <math>\,\perp\,</math> à l'axe par rapport auquel son moment scalaire est évalué est de bras de levier nul.</ref> auquel s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe"> Le couple étant de moment vectoriel <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta_O</math>.</ref> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée à la date <math>\,t\,</math> par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée développée à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|7}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}sans terme du 1^er ordre ; {{Al|5}}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique"> On appelle « [[w:Solution_de_forme_fermée|solution analytique]] » d'une équation différentielle, une expression mathématique <math>\,\big(</math>souvent dite « formule explicite »<math>\big)\,</math> pouvant s'obtenir par une combinaison d'opérations et de [[w:Fonction_de_référence|fonctions de référence]] <math>\,\big(</math>c.-à-d. fonctions affines, puissances, trigonométriques et exponentielles ainsi que leurs fonctions inverses sur un domaine de définition restreint pour lequel il y a bijection et même certaines solutions d'équations différentielles dites de référence<math>\big)</math>, les opérations étant l'addition, la soustraction, la multiplication, la division et l'extraction de racines.</ref> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’élongations_angulaires_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'élongations angulaires non petites]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il est nécessaire de procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="solution analytique dans le cas d'élongations petites"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Cas_particulier_des_«_petites_élongations_angulaires_»,_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_=_oscillateur_harmonique_(non_amorti)_approché_de_rotation,_période_des_«_petites_oscillations_»|cas particulier des petites élongations angulaires, pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) oscillateur harmonique (non amorti) approché de rotation, période des petites oscillations]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. [[File:Pendule pesant amorti à un degré de liberté - forces extérieures - bis.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures, <math>\,I\,</math> étant le point où la résultante des forces de frottement fluide peut être appliquée]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti <math>\,\big(</math>voir coupe partielle représentée ci-contre<math>\big)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire" /> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I." /> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O" /> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul" /> où s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe" /> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu où se déplace le [[w:Pendule_pesant|pendule]] exercent sur ce dernier, modélisées par <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}un couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_O}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti" />{{,}} <ref name="définition de H"> <math>\,H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]], de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frotte le solide.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Amorti.</ref> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0 - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right] - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_O}}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}avec terme linéaire du 1^er ordre ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique" /> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’amplitudes_initiales_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'amplitudes initiales non petites]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il faut procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique - bis"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » nécessitant néanmoins d'ajouter le terme d'amortissement <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A." />. == « En complément », caractère conservatif du couple de torsion, énergie potentielle de torsion et conservation de l’énergie mécanique du pendule de torsion (non amorti) dans le champ de torsion du fil == {{Al|5}}Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » ne sont pas explicités dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » }}il me semble souhaitable de le retenir <math>\,\big(</math>et bien sûr d’être capable de le retrouver<math>\big)</math>. === Caractère conservatif du couple de torsion === {{Al|5}}Le travail élémentaire d’un couple de torsion s’exerçant sur un solide, de vecteur moment «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t) = -C\;\alpha(t)\;\vec{u}_\Delta\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Expression_du_vecteur_moment_du_couple_de_torsion_exercé_par_le_fil_en_fonction_de_l'angle_de_torsion_«_α(t)_»,_notion_de_constante_de_torsion_«_C_»_du_fil_de_torsion|expression du vecteur moment du couple de torsion exercé par le fil de torsion α(t), notion de constante de torsion C du fil de torsion]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> lors d’une torsion élémentaire «<math>\;d \alpha\;</math>» <ref name="définition de Delta et alpha sur le fil de torsion"> <math>\,\Delta\,</math> étant la direction du fil de torsion orienté par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et «<math>\;\alpha\;</math>» l'angle de torsion algébrisé, défini au niveau de la liaison au solide dans le plan <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta\,</math> et orienté par <math>\,\vec{u}_\Delta</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion }}étant défini selon «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>», <math>\,\big[\overline{\Omega}(t)\,</math> étant la vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt}\;</math>», <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \alpha\;</math>»<math>\big]\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> soit finalement <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon }}«<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -C\;\alpha\; d \alpha\;</math>» correspondant à une différentielle de fonction <math>\Rightarrow</math> le <u>caractère conservatif du couple de torsion</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple"> Pour montrer qu’une force est conservative, on évalue son travail élémentaire en prenant un vecteur déplacement élémentaire quelconque <math>\,\overrightarrow{dM}\,</math> à partir du point d'application <math>\,M\,</math> de la force <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#2ème_définition_(équivalente)_d'une_force_«_conservative_»|2^ème définition (équivalente) d'une force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> ; <br>{{Al|3}}lorsqu'il s’agit d'un couple de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, il faut évaluer son travail élémentaire en envisageant une rotation élémentaire quelconque autour de n'importe quelle direction, le couple est alors conservatif si ce travail élémentaire est une différentielle de fonction mais <br>{{Al|3}}{{Transparent|lorsqu'il s'agit d'un couple }}dans le cas d’un couple de torsion de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, la seule direction autour de laquelle peut s’effectuer une rotation élémentaire est celle du fil c.-à-d. celle de <math>\,\vec{\Gamma}\,</math> et par suite la seule condition pour que le couple de torsion soit conservatif est que son travail élémentaire en considérant une rotation élémentaire autour de la direction du fil de torsion soit une différentielle de fonction ou encore que « le moment scalaire du couple de torsion par rapport au fil ne dépende que de l'angle de torsion <math>\,\alpha\;</math>» C.Q.E.R. <math>\,\big(</math>Ce Qui Est Réalisé<math>\big)</math>.</ref>. === Énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion === {{Al|5}}L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,U_{\text{tors}}\,</math> dont « dérive » le couple de torsion de vecteur moment <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}est définie par «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#1ère_définition_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|1^ère définition de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> c.-à-d. «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(\alpha)\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\,</math> ou <math>\,-C\;\alpha\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <math>\Leftrightarrow</math> «<math>\;\dfrac{dU_{\text{tors}}}{d \alpha} = C\;\alpha\;</math>» soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}en intégrant «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2 + cste\;</math>» ; choisissant la référence de l’énergie potentielle de torsion <math>\;U_{\text{tors}}(\alpha)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle"> C.-à-d. l'endroit où l'énergie potentielle est choisie nulle.</ref> <br>{{Al|7}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> en intégrant «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\alpha) = 2\; C\;\alpha^2 + cste}\;</math>» ; choisissant la référence }}quand le fil n’est pas tordu c.-à-d. <math>\,U_{\text{tors}}(0) = 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = 0</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}l'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d’un fil et sa conservation en absence de frottement === [[File:Pendule de torsion sans masselottes - actions exercées.png|thumb|500px|Schéma d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] représenté sans masselottes additives et avec fil inférieur sans torsion avec ajout des actions exercées sur la tige à l'instant <math>\;t</math>]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec un seul fil de torsion, l'autre fil étant sans torsion <math>\,\big(</math>voir schéma ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec un seul fil de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}la seule action extérieure de moment scalaire non nul par rapport à la direction <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}commune du fil de torsion et du fil sans torsion <math>\;\big(</math>orientée par le vecteur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> étant le couple « conservatif » de torsion <ref name="conservativité du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Caractère_conservatif_du_couple_de_torsion|caractère conservatif du couple de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}moment vectoriel «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}} = -C\;\alpha\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion /> auquel on associe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie potentielle de torsion du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre valant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;U_{\text{tors}}(t) =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion énergie potentielle de torsion }}<math>\,\dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_torsion_du_solide_relié_au_fil_de_torsion|énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}son énergie cinétique à la date <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{pend. tors.}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique }}<math>J_{CO_{\text{sup}}}\,</math> est le moment d'inertie du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] relativement à la <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique <math>\color{transparent}{J_{CO_{\text{sup}}}}\,</math> est }}direction du fil de torsion et du fil sans torsion <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à l'instant <math>\,t\,</math> selon «<math>\;E_m(t) = K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Propriétés_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|propriétés de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] (2^ème propriété) » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha_0 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\alpha(0) = \alpha_0\;</math> et <math>\,\dot{\alpha}(0) = 0\;</math>». [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]]]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige <math>\,\big(</math>voir photographie ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec deux fils de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}il y a deux actions extérieures s'exerçant sur le solide « tige + masselottes » de moment scalaire non nul par rapport à <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}la direction commune <math>\,\Delta_C\,</math> des deux fils de torsion <math>\,\big(</math>orientée par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}élémentaire du solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}prouve le <u>caractère conservatif du couple de torsion du fil supérieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}supérieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = -d U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta = -d U_{\text{tors. sup.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. sup.}}}{d \theta} = C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\,</math> qui s'intègre en <math>\,U_{\text{tors. sup.}}</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,= \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> et, en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. sup.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du solide à l'équilibre » c.-à-d. <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre"> Revoir l'explication rappelée dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans le chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil supérieur du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta_1 - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_1 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion"> Symboliquement l'énergie potentielle d'un solide dans le champ de torsion d'un fil de torsion s'obtient, à une constante additive près, par la moitié du produit de la constante de torsion du fil et du carré de l'angle de torsion, à l'instant <math>\;t</math>, du fil au point d'attache du solide.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation élémentaire du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\; \theta(t)\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et prouve le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<u>caractère conservatif du couple de torsion du fil inférieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}inférieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = -d U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\;\theta\;d \theta = -d U_{\text{tors. inf.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. inf.}}}{d \theta} = C\; \theta\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{tors. inf.}} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} + cste_2\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. inf.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position du solide à l'équilibre » c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil inférieur du solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2} + cste_2 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_2 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}finalement l'énergie potentielle globale de torsion du solide « tige + masselottes » <math>\,\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale }}s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = U_{\text{tors. sup.}}(\theta) + U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» ou, en simplifiant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale s'écrit }}«<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2\;</math>» <ref> En effet <math>\,\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + 2\;C\; \theta_1^{\,2} + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + C\; \theta_1^{\,2} = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2</math>.</ref>{{,}} <ref> Cette énergie potentielle de torsion du solide « tige + masselottes » est la même que celle que l'on obtiendrait avec un seul fil de torsion de constante de torsion <math>\,2\,C</math>, l'autre fil étant sans torsion avec la référence en la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>.</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule ci-dessus étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «<math>\;\color{transparent}{K_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#%Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torion par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique de l'ensemble tige + masselottes) » plus haut dans ce chapitre.</ref> avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule }}<math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion des deux fils définie, à l'instant <math>\,t\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie mécanique }}«<math>\;E_m(t) = K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}\! \left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\alpha\;</math>» dans le 1^er exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] ou <br>{{Al|57}}celui «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta - \theta_1 \right]^2 \,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du 2^ème exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|même]] paragraphe <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}étant parabolique, nous retrouvons la <u>2^ème définition d’un oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math>de rotation<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_(équivalente)_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition (équivalente) énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. <br>{{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> de son mouvement dans le 2^ème exemple du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}«<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2 = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>», <br>{{Al|58}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}les C.I. <ref name="C.I." /> étant «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}est donc une <u>ellipse décrite dans le sens horaire</u> <ref name="portrait de phase d'un socillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Tracé_du_portrait_de_phase_de_la_charge_du_condensateur_d'un_«_R_L_C_série_»_soumis_à_un_échelon_de_tension_suivant_le_cœfficient_d'amortissement|propriétés des portraits de phase de la charge du condensateur d'un RLC série soumis à un échelon de tension suivant le cœfficient d'amortissement]] (cas d'un circuit oscillant non amorti en vert) » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. == Conservation de l’énergie mécanique du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) dans le champ de pesanteur uniforme == === Énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant === {{Al|5}}Dans le cas d'un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref><math>\big)</math>, le poids du solide étant la seule action extérieure travaillant et ce dernier étant conservatif <ref name="poids d'un objet conservatif"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Établissement_du_caractère_«_conservatif_»_du_poids_d'un_point_matériel_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|établissement du caractère conservatif du poids d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, }}on lui associe l'énergie potentielle de pesanteur «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta)\;</math>» <ref name="énergie potentielle de pesanteur"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#«_Énergie_potentielle_de_pesanteur_d'un_point_matériel_»_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|énergie potentielle de pesanteur d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> déterminée en intégrant «<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = -dU_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> avec <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)\,</math> travail élémentaire du poids lors d'une rotation élémentaire d'angle <math>\,d \theta = \dot{\theta}(t)\;dt\,</math> autour de <math>\,\Delta_O\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe «<math>\;\color{transparent}{\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)}\,</math>}}<math>= \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;dt = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)\;dt = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;d \theta\;</math>» <ref name="travail élémentaire du poids du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (actions extérieures exercées sur le solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> d'où <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}<math>\,-dU_{\text{pes}} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\;d \theta\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{pes}}}{d \theta}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\,</math> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right) + cste\;</math>» <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}soit, en choisissant comme référence de l'énergie potentielle <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> « la position <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}d'équilibre stable de ce dernier <ref name="équilibre stable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessous de ce dernier.</ref> <math>\,\theta_{\text{éq. stable}} = 0\;</math>» d'où <math>\,U_{\text{pes}}(0) = 0\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}<math>\Rightarrow</math> <math>\,0 = -m\;g\;\mathfrak{a} + cste\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = m\;g\;\mathfrak{a}\,</math> d'où l'expression de <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}l'énergie potentielle de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> se réécrit selon <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta \right) \right]\;</math>» <ref> Pour trouver l'expression de l'énergie potentielle de pesanteur on peut aussi utiliser <math>\,\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = m\;g\;dz_G = -dU_{\text{pes}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{pes}} = -m\;g\;z_G + cste\,</math> sachant que <math>\,z_G = \mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right)\,</math> avec pour position d'équilibre stable <math>\,z_{G,\,\text{éq. stable}} = \mathfrak{a}</math> <math>\;\ldots</math></ref> <math>\,\big(</math>référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : la position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement === {{Al|5}}Considérant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A." /><math>\big)</math>, l'énergie potentielle de pesanteur étant «<math>\;U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right] = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\,</math> avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> <math>\,\theta_{\text{équi. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P."/> » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> et <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie cinétique du solide constituant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique du solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> dans laquelle <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie cinétique}}«<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du solide par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie mécanique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> dans le champ de pesanteur «<math>\;E_m\!(t) = K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) + U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right]</math> <br>{{Al|23}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie mécanique du P.P.N.A. dans le champ de pesanteur «<math>\;\color{transparent}{E_m\!(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{P.P.N.A.}}(t) + U_{\text{pes}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P..P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\,\left[ 1 - \cos(\theta) \right]\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}n'étant pas parabolique <math>\,\big(</math>mais sinusoïdal<math>\big)</math>, nous pouvons affirmer que <u>le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> n'est pas un oscillateur harmonique</u> <math>\,\big(</math>quand il est en situation d'osciller<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <math>\blacktriangleright\;</math>« oscillatoire pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'énergie mécanique initiale du P.P.N.A. vaut «<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^2 + m\;g\; \mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta_0 \right) \right]\;</math>».</ref> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. est }}<math>\blacktriangleright\;</math>« révolutive pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="étude du mouvement d'un P.P.N.A. par diagramme d'énergies"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Étude_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_dans_le_cas_général_des_élongations_angulaires_non_petites_par_diagramme_énergétique|étude du mouvement du P.P.(N.A.) dans le cas général des élongations angulaires non petites par diagramme énergétique]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}de démontrer, avec utilisation simultanée de l'intégrale 1^ère énergétique <ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'intégrale 1^ère énergétique du P.P.N.A. s'écrit «<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^{\,2} + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet de démontrer, }}la nature « périodique <math>\,\big(</math>oscillatoire ou révolutive<math>\big)\;</math>» ainsi que <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}d’établir l’expression de la période sous forme intégrale <math>\ldots</math> {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Les [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d’un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ayant pour équation implicite l’intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\;</math><ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" /> de son mouvement lequel dépend de la valeur de l'énergie mécanique initiale <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />, <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. }}diffèrent suivant <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="différents portraits de phase d'un P.P.N.A."> Voir les paragraphes « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Tracé_des_portraits_de_phase_dans_le_cas_général_«_d'oscillations_ou_de_mouvement_révolutif_»_d'un_P.P.S._lancé_dans_les_C.I._«_1b_U_1a_»|tracé des portraits de phase dans le cas général d'oscillations ou de mouvement révolutif d'un P.P.S. lancé dans les C.I. 1b U 1a]] » du chap.<math>12</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\,\big(</math>l'allure des [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti étant la même que ceux d'un [[w:Pendule_simple|pendule simple]] non amorti<math>\big)\,</math> et « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Différents_portraits_de_phase_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté),_«_bifurcation_»_entre_mouvement_«_pendulaire_»_et_révolutif|différents portraits de phase du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté), bifurcation entre mouvement pendulaire et révolutif]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>pendulaire</u> <ref name="pendulaire"> Adjectif synonyme d'« oscillatoire ».</ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>fermé</u>, décrit dans le « <u>sens horaire</u> » <ref name="justification du sens horaire"> Ou « trigonométrique indirect », en effet « quand <math>\,\dot{\theta}\,</math> est <math>\,> 0</math>, <math>\,\theta \nearrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \nearrow\,</math> puis <math>\,\searrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule » ensuite «<math>\;\dot{\theta}\,</math> est <math>\,< 0</math>, correspondant à <math>\,\theta \searrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \searrow\,</math> puis <math>\,\nearrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule de nouveau » <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}avec le point «<math>\;\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)\;</math>» comme « <u>centre de </u>{{Nobr|<u>symétrie</u> » <ref name="justification du centre de symétrie"> Invariance de l’équation en changeant «<math>\;\theta\,</math> en <math>\,-\theta\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des vitesses angulaires <math>\,\big(</math>en fait antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>» et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Invariance de l’équation }}en changeant «<math>\;\dot{\theta}\,</math> en <math>\,-\dot{\theta}\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des abscisses angulaires <math>\,\big(</math>là encore c'est une antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|3}}l’association des deux symétries axiales <math>\,\big(</math>ou plutôt des deux antisymétries axiales<math>\big)\,</math> donnant un centre de symétrie pour l'intersection des deux axes <math>\,\big[</math>le point d'intersection des deux axes étant réellement une symétrie centrale <math>\,\big(</math>et non une antisymétrie centrale<math>\big)</math>.</ref>}} <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, avec le point «<math>\;\color{transparent}{\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)}\;</math>» }}correspondant à la position d’équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /> du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ; <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> }}<math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>révolutif</u>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>ouvert</u>, constitué de la <u>répétition du motif de l'intervalle</u><math>\;\left] -\pi\, , \, \pi \right]</math>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase }}répété <math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \nearrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} > 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 > 0\;</math>» ou <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase répété }}<math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \searrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} < 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 < 0\;</math>», <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)\;</math>» et celui avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,-\dot{\theta}_0 > 0 \right)\;</math>» <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, le portrait de phase avec C.I. «<math>\;\color{transparent}{\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)}\;</math>» }}étant <u>antisymétriques</u> l'un de l'autre, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>maxima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre stable</u> <ref name="équilibre stable du P.P." /> «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres stables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» ;<br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}\;</math>»<math>\big)\;</math> alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big)</math>.</ref> et <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>minima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre instable</u> <ref name="équilibre instable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessus de ce dernier.</ref> «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;</math> <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, les minima de<math>\;\color{transparent}{\vert \dot{\theta} \vert}\;</math>obtenus pour les positions d’équilibre instable «<math>\;\color{transparent}{\theta_{\text{éq. inst.}} =}</math> }}<math>\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres instables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = -\left( 2\;p' + 1 \right)\, \pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big[</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big]\;</math>.</ref>. == « Généralisation » à tout « solide » : « théorème de la variation de l’énergie mécanique » et la forme locale associée « le théorème de la puissance mécanique », application au cas d’un solide amorti == {{Al|5}}Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à la généralisation à tout système de points matériels ou continu de matière « indéformable » <ref name="solide au sens de la mécanique" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à }}la généralisation aux systèmes de points matériels ou continus de matière « déformables » sera faite dans le chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Lois_de_l'énergie_cinétique_pour_un_système_déformable_de_points_matériels#«_En_complément_»,_théorème_de_la_variation_de_l’énergie_mécanique_appliqué_à_un_système_de_matière_déformable_dans_le_champ_des_forces_extérieures_et_intérieures_conservatives_et_sa_forme_locale_«_le_théorème_de_la_puissance_mécanique_»|en complément : théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un système de matière déformable dans le champ des forces extérieures et intérieures conservatives et sa forme locale le théorème de la puissance mécanique]] » du chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. === Théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s’écrivant «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\bullet\;</math>celles qui sont conservatives <math>\,\big(</math>lesquelles « dérivent » d’une énergie potentielle<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{ransparent}{\bullet}\;</math>}}dont le travail pendant cette durée finie est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées }}<math>\bullet\;</math>celles qui sont non conservatives <ref name="non conservatives"> Ou, si elles sont conservatives, dont on ne considère pas le caractère « conservatif ».</ref> dont le travail pendant cette durée finie <br>{{Al|12}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>celles qui sont non conservatives dont }}est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}d'où «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou, avec «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, }}<math>\big(U_{\text{ext}}\,</math> étant l'énergie potentielle dont dérivent les forces conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, <math>\color{ransparent}{\big(}</math>}}définie à une constante additive près précisée par choix de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}<math>\Rightarrow</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» d’où la réécriture du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « solide <math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\left( \mathcal{S} \right)} + U_{\text{ext}} \right] = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» où on reconnaît dans le 1^er membre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}la variation de l’énergie mécanique «<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t) + U_{\text{ext}}\!(t)\;</math>» du solide «<math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le champ des forces conservatives sur la durée <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> dans le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où dans le champ des forces conservatives }}référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen d'où, finalement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}le lien entre la variation de l'énergie mécanique du « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;\Delta E_m = E_{m,\,\mathcal{F}} - E_{m,\,\mathcal{I}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» le lien }}le travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> sur cette même durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}«<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» applicable à un solide dans un référentiel d’étude galiléen, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}l'énoncé du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie dans un référentiel galiléen <ref> Ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. sous la forme où il existe des forces extérieures non conservatives dissipatives mais, comme le cas où toutes les forces extérieures travaillant sont conservatives est clairement explicité <math>\,\big(</math>sous la forme de la conservation de l’énergie mécanique du solide<math>\big)</math>, le cas où il existe des forces extérieures travaillant et non conservatives <math>\,\big(</math>comme des forces de frottement<math>\big)\,</math> s’appliquant à un solide peut difficilement être ignoré d'où l'ajout du théorème sous sa forme la plus générale <math>\;\ldots</math></ref>. : {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}<math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <math>\,K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation «<math>\;\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» }}égale au travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale au travail }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire dans un référentiel galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique }}se déduit aisément de sa forme sur une durée finie soit {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}conservatives <math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}<math>K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> <math>\color{transarent}{K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)}\,</math> l'énergie cinétique }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation élementaire«<math>\;d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t)\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» }}égale au travail élémentaire des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» égale au travail }}appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;d E_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide }}est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée finie ou élémentaire se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>». === Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de la puissance mécanique est la forme locale associée à la forme intégrée <ref name="forme intégrée de forme locale" /> “ théorème de la variation de l'énergie mécanique sur une durée finie ou élémentaire ” ; {{Al|5}}pour obtenir cette forme locale on écrit le théorème de la variation de l’énergie mécanique d’un solide dans le champ des forces extérieures conservatives entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math><ref> C.-à-d. la forme élémentaire du théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un solide.</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on écrit }}«<math>\;dE_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\,</math> dans un référentiel galiléen » puis, <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on divise les deux membres par <math>\,dt\,</math> soit «<math>\;\dfrac{dE_m}{dt} = \dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{dE_m}{dt}\;</math>» est la dérivée temporelle de l’énergie mécanique du solide dans le champ des forces extérieures conservatives définissant <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}la puissance mécanique du solide à l'instant <math>\,t\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives, notée «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» la puissance instantanée développée, à l'instant <math>\,t</math>, par les forces extérieures non conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}appliquées au solide notée «<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on obtient «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» d'où l'énoncé du théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen : {{Théorème|titre=Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide »|contenu = {{Al|5}}La puissance mécanique à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> <math>\big[</math>avec, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie mécanique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{ext}}(t)}\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces }}conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math>» l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique }}est égale à la puissance instantanée développée par les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique est égale à }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> au même instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide à un instant <math>\,t\,</math> quelconque se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}c.-à-d., après intégration, « la conservation de l’énergie mécanique du solide précédemment défini ». === Application au cas d’un solide amorti === {{Al|5}}Parmi les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées à un solide et travaillant, « les plus fréquentes sont dissipatives » <ref> Mais elles peuvent aussi être motrices par exemple, si nous souhaitons que les oscillations d’un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ou d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] perdurent alors qu’existent naturellement des frottements {{Nobr|<math>\,\big(</math>même}} minimes<math>\big)</math>, il est nécessaire de les entretenir à l’aide d’une force extérieure motrice compensant les forces de frottement, cette force motrice étant alors usuellement non conservative tout comme le sont les forces de frottement.</ref> comme les forces de frottement fluide <math>\,\big(</math>ou solide<math>\big)</math> ; {{Al|5}}si les seules forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> travaillant sont des forces de frottement s'exerçant sur un solide en mouvement dans un référentiel galiléen, <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces }}conservatives <ref name="théorème de la puissance mécanique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_la_puissance_mécanique_appliqué_à_un_«_solide_»|théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}s’écrivant «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{frott}}\!(t) < 0\;</math>» dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}l'énergie mécanique de ce solide «<math>\;E_m(t) \searrow\,</math> au sens strict » avec <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}</math> <math>\big(</math>il est qualifié d'« amorti »<math>\big)</math>. ==== Cas particulier du pendule de torsion amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] dont la photographie est dans un « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|paragraphe plus haut dans ce chapitre]] » mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}avec les masselottes remplacées par des ailettes comme présenté dans le schéma de vue de dessus de la « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|remarque du paragraphe précité]] », <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d'un fil et sa conservation en absence de frotemment]] (2^ème exemple) » plus haut dans ce chapitre dans lequel <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> doit être remplacée par <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})</math>.</ref> dans le référentiel <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « }}<math>\big\{</math>avec <math>\,U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> la position d'équilibre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « <math>\color{transparent}{\big\{}</math>avec <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2}\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence }}du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}on en déduit la puissance mécanique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;\dot{E}_m(t) = J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + 2\;C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]\,\dot{\theta}(t)\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}la puissance du couple de frottement fluide linéaire <math>\,\big(</math>seules forces extérieures non conservatives travaillant de moment scalaire par rapport à l'axe de rotation du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion la puissance du couple de frottement fluide linéaire <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>}}<math>\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion" />, <math>\,H\,</math> étant une constante positive <ref> Exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frottent les ailettes.</ref><math>\big)\,</math> <br>{{Al|6}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion la puissance du couple de frottement fluide linéaire }}agissant sur les ailettes du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étant «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] (remarque : actions extérieures exercées sur l'ensemble “ tige et ailettes ”) » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}le théorème de la puissance mécanique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» ou <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» ou encore, <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + 2\;C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]\,\dot{\theta}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}après simplication par <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> non identiquement nulle <ref name="hors position d'équilibre" /> et normalisation <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <ref> Identique à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Identique }}à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] (2^ème exemple où les masselottes sont remplacées par des ailettes) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <center>«<math>\;\ddot{\theta}(t) + + \dfrac{H}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta_1\;</math>».</center> ==== Cas particulier du pendule pesant à un degré de liberté amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] à un degré de liberté dont le schéma est dans un « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|paragraphe plus haut dans le chapitre]] » dans lequel <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}des frottements fluides linéaires agissent sur le [[w:Pendule_pesant|pendule]] comme présentées dans le schéma de la « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|remarque du paragraphe précité]] », <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}l'énergie mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frotemment]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> dans le référentiel <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté l'énergie mécanique du P.P.A. étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « }}<math>\big\{</math>avec <math>\,U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\,</math> l'énergie potentielle de pesanteur de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté l'énergie mécanique du P.P.A. étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « <math>\color{transparent}{\big\{}</math>}}la position d'équilibre stable du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> <math>\,\theta_{\text{équi. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P."/><math>\big\}</math>, {{Al|5}}à la force extérieure «<math>\;m\;\vec{g}\;</math>», conservative, s'exerçant sur le P.P.A. <ref name="P.P.A." /> et « dérivant » de l'énergie potentielle de pesanteur de ce dernier, à savoir «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) =</math> <math>m\;g\;\mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos(\theta) \right]\;</math>» <math>\;\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre stable du solide <math>\;\theta_{\text{éq. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P." /><math>\big)\;</math><ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, il convient d'ajouter {{Al|5}}les forces de frottement fluide linéaire dont le moment scalaire relativement à l'axe <math>\;\Delta_O\;</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t) = -H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» a été établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « Mécanique 2 (PCSI) » <math>\;\big[H\;</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du pendule, de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel il frotte<math>\big]\;</math> montre que ces forces de frottement est un système non conservatif <ref name="raison du caractère non conservatif" />, la puissance de ces forces de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\;t</math>, selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right] =</math> <math>\mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t)\;\dot{\theta}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}l'énergie mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> étant «<math>\;E_m(t) = K(t) + U_{\text{pes}}\!\left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> à l'instant <math>\;t\;</math> dans le référentiel d'étude <math>\;\mathcal{R}</math>, <math>\;\big[J_{\Delta_O}\;</math> étant le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> relativement à son axe <math>\;\Delta_O\;</math> de rotation <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /><math>\big]\;</math> on en déduit aisément, dans <math>\;\mathcal{R}\;</math> et à l'instant <math>\;t</math>, la puissance mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en formant <math>\;\dot{E}_m(t) = \dfrac{d E_m}{dt}(t)\;</math> puis {{Al|5}}l’application du théorème de la puissance mécanique au P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> nous conduit à «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right]\;</math>» ou «<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» soit encore, {{Al|5}}en explicitant la dérivée temporelle de l’énergie mécanique puis en divisant par «<math>\;\dot{\theta}\!(t)\;</math>», l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon «Mécanique 2 (PCSI)» à savoir <center>«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) + H\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>».</center> == Notes et références == <references /> {{Bas de page | idfaculté = physique | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie|Approche énergét. du mouv. d'un sol. en rotat. autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels|Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels]] }} 9ddamkoaaw5ztopx7xsn1bt2jilqpg6 987952 987951 2026-11-01T02:57:34Z Phl7605 31541 /* Cas particulier du pendule pesant à un degré de liberté amorti par frottement fluide linéaire */ 987952 wikitext text/x-wiki {{Chapitre | idfaculté = physique | numéro = 12 | niveau = 14 | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie/]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels/]] }} <center>Ce chapitre est traité dans le cadre de la dynamique newtonienne avec ajout de quelques éléments de dynamique relativiste.</center> == Théorème de l'énergie cinétique d’un système de matière, cas d’un solide en rotation autour d’un axe fixe == {{Al|5}}Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}est évidemment à connaître comme forme intégrée de la forme locale <ref name="forme intégrée de forme locale"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Lois_de_la_puissance_et_de_l'énergie_cinétiques#Différence_entre_«_forme_locale_de_la_dynamique_»_et_«_forme_intégrée_associée_à_cette_forme_locale_»|différence entre forme locale de la dynamique et forme intégrée associée à cette forme locale]] » du chap.<math>15</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> « théorème de la puissance <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}cinétique d'un système de matière » laquelle est inscrite explicitement dans le programme <math>\;\ldots</math> === Définition du travail du système des forces extérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque"> Par « système de matière quelconque » il faut entendre « système fermé discret de points matériels ou continu de matière » « déformable ou non ».</ref> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1"> A priori <math>\,N\,</math> pourrait être égal à <math>\,1\,</math> mais ce ne serait plus un système de points matériels mais un simple point matériel.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes"> C.-à-d. l’ensemble des paramètres de position et de vitesse de tous les points à l'instant de définition de l'état, tous ces paramètres permettant d’y décrire le système.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> entre }}l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Expression_du_travail_élémentaire_de_la_force_dont_le_point_d’application_subit_le_vecteur_déplacement_élémentaire_correspondant_à_la_durée_élémentaire_de_développement_de_sa_puissance|expression du travail élémentaire de la force dont le point d'application subit le vecteur déplacement élémentaire correspondant à la durée élémentaire de développement de sa puissance]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - bis"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="infiniment proches"> Instants infiniment proches.</ref>, son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité volumique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance volumique <math>\,\mathcal{P}_{\text{vol},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t)</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité surfacique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance surfacique <math>\,\mathcal{P}_{\text{surf},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) =</math>}} <math>\sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité linéique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance linéique <math>\,\mathcal{P}_{\text{lin},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right] dt\;</math>».</ref>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« chaque point <math>\,\color{transparent}{M_i}\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> entre «<math>\;\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\;</math>» }}son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\,</math> étant aussi tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces extérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces extérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" />. === Définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est également présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2"> Pour l'existence de forces intérieures appliquées à un système, <math>\,N\,</math> doit être évidemment <math>\,\geqslant\,</math> à <math>\,2</math>.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes" /> et l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" /> sachant que <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir }}le système des forces intérieures s'exerçant sur le système discret fermé de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le système des forces intérieures }}est défini comme « l'ensemble des forces <math>\,\vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t)\,</math> que chaque point <math>\,M_j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, exerce sur chaque point <math>\,M_i,\;\;i \neq j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math>» <ref name="système de forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Forces,_principe_des_actions_réciproques#Système_des_forces_intérieures_s’exerçant_sur_un_système_de_points_matériels_fermé|système des forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math> entre les instants <math>\;t\;</math> et <math>\;t + dt\;</math> selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i} \right]\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - ter"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> dans lequel, chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \mu(M')\;d \mathcal{V}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bivolumique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}}{d \mathcal{V}_{M'}\;d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \sigma(M')\;d S_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\;</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bisurfacique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}}{d S_{M'}\;d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \lambda(M')\;d \mathit{l}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\;\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bilinéique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}}{d \mathit{l}_{M'}\;d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace dt\;</math>».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces intérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces intérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière" />. {{Al|5}}<u>Remarque 1</u> : Le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures }}peut aussi être défini à partir de la puissance instantanée développée par les forces intérieures s’exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="définition de la puissance développée par les forces intérieures"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Définition_2|définition]] (de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures peut aussi être défini }}selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - tetra"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : }}le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}s'obtenant en ajoutant tous les travaux élémentaires de <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}peut se calculer à partir de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> peut se calculer }}par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>». {{Al|5}}<u>Remarque 2</u> : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math><ref name="définition du référentiel Rj"> Le référentiel «<math>\;\mathcal{R}_j\;</math>» est le référentiel lié à <math>\,M_j\,</math> en translation par rapport au référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#cite_note-puissance_des_forces_intérieures_s'exerçant_sur_système_continu_de_matière_-_ter-55|⁵⁵]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> dans le référentiel <math>\,\color{transparent}{\mathcal{R}}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}_{\text{int}}(t)}</math> }}<math>= \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Autres_expressions_équivalentes|autres expressions équivalentes]] de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj"> Le point <math>\,M_i\,</math> décrivant dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_j</math> <math>\,\big[</math>lié à <math>\,M_j\,</math> et en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\big]\,</math> une trajectoire particulière <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}\;</math> entre les deux instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t)\big]\,</math> étant tangent à <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}</math>.</ref> ou <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures «}}<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right]\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : }}de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière" />{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" />{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" />. {{Al|5}}<u>Remarque 3</u> : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nulle <ref name="puissance des forces intérieures en général non nulle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (1^ère conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu"> Système discret de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique"> Le système se comporte donc comme un solide au sens de la mécanique.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures nulle pour un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (3^ème conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = 0\;\;\forall\;t\,</math> pour <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = 0\;\;\forall\;\left[ t\,,\,t + dt \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> le devient }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = 0\;\;\forall\;\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> ». === Théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Partant du théorème de la puissance cinétique appliqué, à l'instant <math>\,t</math>, à un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Énoncé|énoncé]] du théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> dans lequel <math>\,\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math> est la puissance cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{ext}}(t)\,</math> la puissance développée par les forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\,</math> celle développée par les forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la même date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on multiplie par <math>\,dt\,</math> pour obtenir la forme élémentaire du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir la forme élémentaire }}entre «<math>\;t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\;</math>» où <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> est la variation élémentaire d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{ext}}\,</math> le travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{int}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur le même <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on intègre entre <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique }}entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec <math>\,\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\,</math> variation d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\,</math> }}sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> le travail des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> le travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> celui des forces intérieures }}sur le même <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>. {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> étant nul quel que soit le mouvement du système » <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Définition_du_travail_du_système_des_forces_intérieures_appliquées_à_un_«_système_de_matière_»_entre_un_état_initial_et_un_état_final|définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un système de matière entre un état initial et un état final]] (remarque 3) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul }}<math>\Rightarrow</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide sous sa forme élémentaire ou <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide }}sur une durée finie : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière en translation » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière"> Système fermé discret fermé de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> en translation » <ref name="système en translation"> Un « système de matière en translation » ne se déformant pas peut aussi être qualifié de « solide » au sens de la mécanique.</ref>, tous les points ont le même vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> égal à celui du C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> <math>\,G\,</math> du système, d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\!G}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <ref name="signification du travail élémentaire développé par les forces extérieures appliquées à un système en translation"> Dans cette 3^ème expression «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» est aussi « le travail élémentaire qui serait développé, sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\,t + dt \right],</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>, par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans <math>\,\mathcal{R}\;</math>» <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», ce dernier s'obtenant par application du théorème du mouvement du C.D.I. <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Principe_fondamental_de_la_dynamique_et_théorème_de_la_résultante_cinétique#Énoncé_du_théorème_(dynamique_newtonienne)|énoncé du théorème (dynamique newtonienne)]] du mouvement du C.D.I. d'un système » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> correspondant aussi à l'application de la r.f.d.n. <math>\,\big(</math>relation fondamentale de la dynamique newtonienne<math>\big)\,</math> au point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>» sur lequel s'exercerait la résultante dynamique<math>\big\}</math>.</ref> dans laquelle «<math>\;\vec{F}_{\text{ext}}(t)\;</math> est la résultante <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}«}}dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» <ref> Voir les paragraphes « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_en_translation_»|cas d'un système de matière en translation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » et « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissancce développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces intérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{int},\,\text{syst. en transl.}} = 0\;</math>» <ref name="système en translation" />{{,}} <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>de la variation élémentaire de l'énergie cinétique du système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en transl.}}\;</math>» avec «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="signification de l'énergie cinétique d'un système en translation"> Dans cette 2^ème expression «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» est aussi « l'énergie cinétique newtonienne du point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans {{Nobr|<math>\,\mathcal{R}\,</math>»}} <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», tous les points du système en translation ayant même vitesse que le C.D.I. <math>\,G\big\}</math>.</ref> l'énergie cinétique <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, dans le cadre de la cinétique newtonienne <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en translation"> Voir le paragraphe « énergie cinétique dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Cas_d'un_système_en_translation|cas d'un système en translation]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique }}appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" />{{, }} <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque dans un référentiel galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> nous obtenons : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un référentiel <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière en translation <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> étant le C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> et <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =}</math> }}la résultante dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\,</math> ou <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste"> Applicable sous cette forme dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste.</ref> avec <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="système fermé de matière" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système en translation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =</math> <math>K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail effectué par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail effectué par la résultante dynamique }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <br>{{Al|208}}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Ce théorème <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais il doit bien sûr être connu <ref> Sans doute ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. car on considère usuellement un système de matière en translation comme un point matériel <math>\,\big(</math>le C.D.I. <math>\,G\,</math> du système<math>\big)\,</math> sur lequel s'exerce la résultante dynamique du système et, selon ce point de vue, le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un système de matière en translation n'est rien d'autre que le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un point matériel, lequel est, quant à lui, au programme <math>\;\ldots</math></ref>. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}<u>Préliminaire</u> : Un « système <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » peut, a priori, se déformer <ref name="système en rotation autour d'un axe"> Par exemple, en se dilatant, c.-à-d. que chaque point du système, en plus de sa rotation autour d'un axe fixe, s'éloigne radialement de cet axe <math>\,\big(</math>la vitesse d'éloignement pouvant être différente d'un point à un autre<math>\big)\,</math> mais dans ce cas il ne s'agit pas d'une rotation « pure » <math>\;\ldots</math> <br>{{Al|3}}Pour maintenir une même vitesse angulaire à un instant <math>\,t\,</math> pour tous les points d'un « système déformable », il faut que le mouvement orthoradial de chacun des points soit corrélé au mouvement radial correspondant, avec absence de mouvement axial, c.-à-d. que, pour deux points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> tels que la droite <math>\,M_iM_j\,</math> recoupe l'axe <math>\,\Delta\,</math> perpendiculairement en <math>\,H_{i,\,j}</math>, <math>\,\big[</math>les points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> ayant donc même abscisse angulaire <math>\,\theta_{i,\,j}(t)\big]\,</math> on ait <math>\,\dot{\theta}_{i,\,j}(t) = \overline{\Omega}(t)</math> <math>\,\big[</math>donc indépendant de <math>\,\left( i\,,\, j \right)\big]\,</math> pour tout instant <math>\,t\,</math> et pour tout couple <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> dont les éléments ont même abscisse angulaire, ces conditions étant très contraignantes sont quasiment jamais réalisées naturellement <math>\;\ldots</math></ref>, toutefois, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Préliminaire : un « système <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>fermé<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » }}il est, en pratique, indéformable et est alors qualifié de « solide » au sens de la mécanique ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Préliminaire : }}l’exposé ci-dessous s'applique à un système discret <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de points matériels ou un système continu <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}<u>Exposé</u> : Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière" /> indéformable, en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe <math>\,\Delta</math>, fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen », <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}tous les points ont le même vecteur rotation instantanée <math>\,\vec{\Omega}(t) = \overline{\Omega}(t)\;\vec{u}_{\Delta}\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\big[\vec{u}_{\Delta}\,</math> étant le vecteur unitaire orientant l'axe de rotation <math>\,\Delta\,</math> et <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\big[}</math>}}autour de cet axe de rotation <math>\,\Delta\big]\,</math> d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe"> Expression ne nécessitant pas que l'axe <math>\,\Delta\,</math> soit fixe, la fixité de l'axe dans un référentiel intervenant quand ce dernier est galiléen et quand on utilise l'un des théorèmes fondamentaux de la dynamique de rotation des systèmes <math>\,\big\{</math>par exemple le théorème de l'énergie cinétique établi dans ce paragraphe mais le traavail élémentaire déveeloppé par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» ne nécessite pas que <math>\,\Delta\,</math> soit fixe<math>\big\}</math>.</ref>{{,}} <ref name="travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur un système en rotation"> Voir le paragraphe « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> {{Nobr|«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)</math>}} <math>= \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;</math>» et le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\delta W\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right] = \mathcal{P}\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right]\;dt\;</math>» puis, en faisant la somme membre à membre de façon à définir le travail élémentaire du sytème des forces extérieures s'exerçant sur le système en rotation «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)\;dt\;</math>».</ref> où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> est le moment <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» ou, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>du travail élémentaire }}avec «<math>\;\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta\;</math>» dans lequel <math>\,\theta(t)\,</math> est l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, la réécriture <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>,«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>de la variation de l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}}\;</math>» avec, l'énergie cinétique, à l'instant <math>\,t</math>, de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le cadre de la cinétique newtonienne «<math>\;K_{\text{syst. en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en rotation autour d'un axe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d’un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d’un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> avec «<math>\;J_\Delta\,</math> le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}relativement à <math>\,\Delta\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe"> Voir la notion de moment d'inertie d'un système discret ou continu dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Application_à_un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe#Application_au_cas_d'un_«_système_fermé_de_matière_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe_«_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|application d'un système fermé de matière en rotation autour d'un axe Δ fixe quelconque dans un référentiel d'étuide galiléen]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> d'où, en cinétique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> appliqué à un solide <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_solide_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d'un système }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> avec «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» et «<math>\;\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <math>\,\overline{\Omega}(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}<math>= \dot{\theta}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> encore égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>avec <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> et <math>\,\theta(t)\,</math> l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" />, sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail du moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail du }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[\theta(t)\,</math> étant l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation est égale au travail du «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[\theta}\,</math> étant l'abscisse angulaire }}à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> étant le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = 2\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)}\;</math>» <math>\,\big[</math>}}<math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] <math>\,\big(</math>photographié ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_(non_amorti)|mise en équation différentielle du mouvement du pendule de torsion (non amorti)]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Théorème_de_la_puissance_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_autour_d'un_axe_Δ_fixe_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe dans un référentiel d'étude galiléen]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. {{Al|5}}Ci-contre le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec deux fils de torsion identiques de même constante de torsion «<math>\;C\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec }}positions de masselottes identiques <math>\,\big(</math>sauf pour la couleur<math>\big)\,</math> de part et d'autre du point <math>\,C\,</math><ref name="distinction entre point d'attache des fils sur la tige et constante de torsion des fils"> On accepte la même notation pour le point d'attache des deux fils sur la tige et la constante de torsion de ces derniers tant qu'il n'y a pas d'ambiguïté <math>\,\big(</math>ce qui ne devrait jamais arriver compte-tenu du fait que ces deux grandeurs sont de nature différente<math>\big)</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec positions de masselottes identiques }}<math>\,\big(C\,</math> point d’attache des deux fils de torsion sur la tige<math>\big)</math> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre <math>\,\big(</math>en absence de masselottes<math>\big)\,</math> diffère du « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] » de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici l'extrémité supérieure <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil de torsion supérieur est mobile au lieu d'être fixe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur étant dans les deux fixe et <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici la torsion initiale est fournie par rotation propre de <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> d'un angle «<math>\;2\,\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>repéré sur le cercle gradué lié à <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}</math>, position de référence du cercle gradué<math>\big)\,</math> <math>\Rightarrow</math> en pratique, après quelques oscillations, la tige <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}acquiert la position d'équilibre repérée par l'angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>voir vérification ci-dessous<math>\big)\,</math> alors que <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] la torsion initiale est fournie par rotation de la tige d'un angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>également repéré <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>dans le pendule du chap.7 }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}\big)</math>, la position d'équilibre de la tige étant repérée par l'angle nul ; {{Al|5}}<u>vérification de la position d'équilibre de la tige dans le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}orientant les deux fils de torsion du bas vers le haut, quand la tige acquiert la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion supérieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche"> Une hélice est « droite » si le point tourne sur la gauche <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique direct ou encore dans le sens antihoraire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée et <br>{{Al|31}}elle est « gauche » si le point tourne sur la droite <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique indirect ou encore dans le sens horaire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée <br>{{Al|3}}<math>\,\big[</math>revoir aussi la distinction « hélices gauche ou droite » dans le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Mouvement_de_particules_chargées_dans_des_champs_électrique_et_magnétique_:_Cas_particulier_d'un_champ_magnétostatique_uniforme#Nature_hélicoïdale_uniforme_du_mouvement_de_la_particule|nature hélicoïdale uniforme du mouvement de la particule]] » du chap.<math>24</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> d'un angle «<math>\;\theta_1 - 2\;\theta_1 = -\theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil"> L'angle de torsion du fil qui intervient dans le vecteur moment du couple de torsion est l'angle que fait l'extrémité mobile relativement à l'extrémité maintenue fixe même si cette extrémité est fixée avec torsion initiale comme c'est le cas pour le fil supérieur <math>\,\big\{</math>on peut vérifier que cette définition correspond bien au schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » car {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{A_0B_0}\;</math>»}} est lié à l'extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil supérieur et «<math>\;\overrightarrow{AB}\;</math>» à l’extrémité mobile <math>\,C\,</math> et il en est de même pour l'éventuel fil de torsion inférieur<math>\big\}</math>.</ref> par rapport à son extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion supérieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} = -C \left( -\theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion inférieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche" /> d’un angle «<math>\;\theta_1 - 0 = \theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil" /> par rapport à l’extrémité <math>\;O_{\text{inf}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion inférieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = -C \left( \theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = -C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur la tige vérifiant «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} + \vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = \vec{0}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur }}la tige est effectivement en équilibre dans cette position <math>\;\ldots</math> {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <math>\,\big\{</math>ensemble solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC"> L'axe <math>\,\Delta_C\,</math> est le support des fils de torsion.</ref> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemb}}le solide étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles"> Repérée par rapport à la position de l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemble solide étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des masselottes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des masselottes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des masselottes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur"> L'angle de torsion du fil supérieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 2\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation"> Il s'agit de l'application de la puissance instantanée développée par un système de forces extérieures sur un solide en rotation autour d'un axe fixe <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d'un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> quand le système de forces extérieures est équivalent à un couple <math>\,\big[</math>c.-à-d. un système dont la résultante est nulle et dont le moment résultant scalaire relativement à l'axe de rotation définit le moment scalaire du couple<math>\big]</math>.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur"> L'angle de torsion du fil inférieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 0 = \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cin%C3%A9tique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d'un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;</math> est le moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et masselottes » en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_C\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre"> Ce qui suppose que <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> est non identiquement nulle <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\theta(t)\,</math> n'est pas une constante c.-à-d. que le solide n'est pas à sa position d'équilibre.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à droite «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta_1\;</math>», équation différentielle linéaire <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants sans terme du 1^er ordre hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_non_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition non énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] », la présence d'un 2^nd membre constant signifiant que le paramètre caractérisant l'oscillateur dans l'espace n'est pas nul à l'équilibre.</ref> de rotation ; {{Al|5}}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Conséquence_«_le_pendule_de_torsion_(non_amorti)_est_un_oscillateur_harmonique_non_amorti_de_rotation_»|conséquence : le pendule de torsion (non amorti) est un oscillateur harmonique non amorti de rotation]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » ; [[File:Pendule de torsion amorti - vue de dessus.png|thumb|300px|Vue de dessus d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti par substitution d'ailettes planes aux masselottes fixées sur la tige <math>\,\big(</math>les fils de torsion supérieur et inférieur <math>\,\perp\,</math> au plan de la figure ne peuvent y être représentés<math>\big)</math>]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> du }}<math>\big(</math>voir vue de dessus partielle représentée ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre étant écarté initialement comme celui de début de paragraphe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, le pendule ci-contre étant écarté initialement }}la tige acquiert donc une position d'équilibre repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}l'ensemble « tige et ailettes » étant un solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC" /> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant }}le solide est, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant le solide est, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}les actions extérieures sont <math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des ailettes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{ailettte}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des ailettes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des ailettes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{ailette}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu dans lequel se déplace le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] exercent sur les ailettes, modélisées par un <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> }}couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Couple_de_frottement_fluide_linéaire_agissant_sur_le_pendule_par_l’intermédiaire_des_ailettes|couple de frottement fluide linéaire agissant sur le pendule par l'intermédiaire des ailettes]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple }}<math>\big[H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}et du fluide sur lequel frottent les ailettes<math>\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide la puissance instantanée }}selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\,</math> est le moment d'inertie du solide « tige + ailettes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et ailettes » en rotation autour de <math>\,\Delta_C\,</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t) - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t) - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1 - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étudié «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta_1\;</math>», équation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}différentielle linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique" /> de rotation ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Loi_horaire_de_position_angulaire_du_pendule_de_torsion_amorti|loi horaire de position angulaire du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ». == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule pesant non amorti à un degré de liberté - forces extérieures.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté <math>\,\big(</math>schématisé ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_non_amorti_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_du_moment_cinétique_scalaire|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant non amorti (à un degré de liberté) par application du théorème du moment cinétique scalaire]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />. {{Al|5}}Ci-contre schéma de face du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] idéale <ref name="liaison idéale"> C.-à-d. dans laquelle on peut négliger les frottements solides.</ref> du solide en rotation autour de l’axe horizontal <math>\,\Delta_O\;</math><ref name="liaison pivot du pendule"> Pour plus de détails voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Présentation_du_pendule_pesant_(non_amorti)_«_P.P.(N.A.)_»|présentation du pendule pesant (non amorti) P.P.(N.A.)]] (liaison pivot avec le point O) » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Non Amorti.</ref> à un degré de liberté ayant un mouvement de rotation imposé par la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] du solide avec l'axe <math>\,\Delta_O</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté }}son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,O</math>, d'axe <math>\,\Delta_O\,</math> orienté par le vecteur unitaire «<math>\;\vec{u}_{\Delta_O}\;</math>» et <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,\color{transparent}{O}</math>, }}de rayon «<math>\;\mathfrak{a}\;</math>» avec, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. }}<math>G\,</math> repéré par son abscisse angulaire «<math>\;\theta_G(t) = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\overrightarrow{OG}(t) \right\rbrace} = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\vec{u}_r(t) \right\rbrace}\;</math>» <ref name="noté theta"> Noté «<math>\;\theta(t)\;</math>» par la suite en absence d'ambiguïté.</ref> ; {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = \left[ \overrightarrow{OG}(t) \wedge m\;\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_O} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids"> Le moment vectoriel du poids par rapport à <math>\,O\,</math> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)\;</math>» a établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_liaison_sphérique_et_avec_les_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b),_établissement_de_la_nature_plane_du_mouvement_du_C.D.I._G_du_P.P.(N.A.)|dans le cas d'une liaison sphérique et avec les C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), établissement de la nature plane du mouvement du C.D.I. G du P.P.(N.A.)]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] », soit «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\varphi_G}(t)\;</math>» avec <math>\,\vec{u}_{\varphi_G}\,</math> s'identifiant à <math>\,\vec{u}_{\Delta_O}</math>. <br>{{Al|3}}On pouvait aussi déterminer directement le moment scalaire du poids, le schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_«_liaison_pivot_»_ou_d’une_«_liaison_sphérique_avec_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b)_»,_nouveau_repérage_adapté_à_la_nature_rotatoire_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_à_un_degré_de_liberté|dans le cas d'une liaison pivot ou d'une liaison sphérique avec C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), nouveau repérage adapté à la nature rotatoire du mouvement du P.P.(N.A.) à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » étant fait avec le paramètre de position angulaire <math>\,\theta > 0</math>, on observe que le poids tend à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,-\,</math> avec un bras de levier <math>\,\big(</math>distance orthogonale séparant l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du support de <math>\,m\;\vec{g}\big)\,</math> égal à <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où, dans le cas où <math>\,\theta\,</math> est <math>\,> 0</math>, {{Nobr|«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)</math>}} <math>= - \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>» <math>\,\Big\{</math>le résultat est indépendant du signe de <math>\,\theta\,</math> mais si le schéma était fait avec <math>\,\theta < 0</math>, on observerait que le poids tendrait à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,+\,</math> avec un bras de levier <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = + \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = m\;g\;\left[ -\mathfrak{a}\; \sin(\theta) \right] = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>», soit effectivement le même résultat <math>\,\big[</math>avec toutefois une possibilité d'erreur si on oubliait que <math>\,\theta < 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert = -\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\big]\Big\}</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_particulier_où_M_est_en_mouvement_circulaire_d'axe_Δ_et_de_vitesse_angulaire_instantanée_Ω(t)|cas particulier où M est en mouvement circulaire d'axe Δ et de vitesse angulaire instantanée Ω(t)]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> de la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I."> Conditions Initiales.</ref> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O"> On a établi dans la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#cite_note-réduction_à_deux_composantes_de_la_réaction_dans_ces_C.I.-18|¹⁸]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » que la réaction du point <math>\,O\,</math> dans l'hypothèse d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] sur le pendule lancé dans les C.I. <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\,</math> ou <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\,</math> s'écrirait <math>\,\vec{R}(t) =</math> <math>R_{\rho_G}(t)\;\vec{u}_{\rho_G}(t) + R_z(t)\;\vec{u}_z</math>, c.-à-d. que la réaction serait dans le plan vertical de lancement soit encore «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» ; <br>{{Al|3}}on établit de même <math>\,\big[</math>sans que cela ait été exposé dans le chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> que la réaction de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le pendule quels que soient les C.I. de lancement compatibles avec la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] s'écrit «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>».</ref> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul"> En effet la force étant <math>\,\perp\,</math> à l'axe par rapport auquel son moment scalaire est évalué est de bras de levier nul.</ref> auquel s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe"> Le couple étant de moment vectoriel <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta_O</math>.</ref> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée à la date <math>\,t\,</math> par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée développée à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|7}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}sans terme du 1^er ordre ; {{Al|5}}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique"> On appelle « [[w:Solution_de_forme_fermée|solution analytique]] » d'une équation différentielle, une expression mathématique <math>\,\big(</math>souvent dite « formule explicite »<math>\big)\,</math> pouvant s'obtenir par une combinaison d'opérations et de [[w:Fonction_de_référence|fonctions de référence]] <math>\,\big(</math>c.-à-d. fonctions affines, puissances, trigonométriques et exponentielles ainsi que leurs fonctions inverses sur un domaine de définition restreint pour lequel il y a bijection et même certaines solutions d'équations différentielles dites de référence<math>\big)</math>, les opérations étant l'addition, la soustraction, la multiplication, la division et l'extraction de racines.</ref> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’élongations_angulaires_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'élongations angulaires non petites]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il est nécessaire de procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="solution analytique dans le cas d'élongations petites"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Cas_particulier_des_«_petites_élongations_angulaires_»,_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_=_oscillateur_harmonique_(non_amorti)_approché_de_rotation,_période_des_«_petites_oscillations_»|cas particulier des petites élongations angulaires, pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) oscillateur harmonique (non amorti) approché de rotation, période des petites oscillations]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. [[File:Pendule pesant amorti à un degré de liberté - forces extérieures - bis.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures, <math>\,I\,</math> étant le point où la résultante des forces de frottement fluide peut être appliquée]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti <math>\,\big(</math>voir coupe partielle représentée ci-contre<math>\big)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire" /> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I." /> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O" /> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul" /> où s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe" /> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu où se déplace le [[w:Pendule_pesant|pendule]] exercent sur ce dernier, modélisées par <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}un couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_O}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti" />{{,}} <ref name="définition de H"> <math>\,H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]], de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frotte le solide.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Amorti.</ref> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0 - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right] - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_O}}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}avec terme linéaire du 1^er ordre ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique" /> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’amplitudes_initiales_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'amplitudes initiales non petites]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il faut procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique - bis"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » nécessitant néanmoins d'ajouter le terme d'amortissement <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A." />. == « En complément », caractère conservatif du couple de torsion, énergie potentielle de torsion et conservation de l’énergie mécanique du pendule de torsion (non amorti) dans le champ de torsion du fil == {{Al|5}}Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » ne sont pas explicités dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » }}il me semble souhaitable de le retenir <math>\,\big(</math>et bien sûr d’être capable de le retrouver<math>\big)</math>. === Caractère conservatif du couple de torsion === {{Al|5}}Le travail élémentaire d’un couple de torsion s’exerçant sur un solide, de vecteur moment «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t) = -C\;\alpha(t)\;\vec{u}_\Delta\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Expression_du_vecteur_moment_du_couple_de_torsion_exercé_par_le_fil_en_fonction_de_l'angle_de_torsion_«_α(t)_»,_notion_de_constante_de_torsion_«_C_»_du_fil_de_torsion|expression du vecteur moment du couple de torsion exercé par le fil de torsion α(t), notion de constante de torsion C du fil de torsion]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> lors d’une torsion élémentaire «<math>\;d \alpha\;</math>» <ref name="définition de Delta et alpha sur le fil de torsion"> <math>\,\Delta\,</math> étant la direction du fil de torsion orienté par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et «<math>\;\alpha\;</math>» l'angle de torsion algébrisé, défini au niveau de la liaison au solide dans le plan <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta\,</math> et orienté par <math>\,\vec{u}_\Delta</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion }}étant défini selon «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>», <math>\,\big[\overline{\Omega}(t)\,</math> étant la vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt}\;</math>», <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \alpha\;</math>»<math>\big]\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> soit finalement <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon }}«<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -C\;\alpha\; d \alpha\;</math>» correspondant à une différentielle de fonction <math>\Rightarrow</math> le <u>caractère conservatif du couple de torsion</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple"> Pour montrer qu’une force est conservative, on évalue son travail élémentaire en prenant un vecteur déplacement élémentaire quelconque <math>\,\overrightarrow{dM}\,</math> à partir du point d'application <math>\,M\,</math> de la force <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#2ème_définition_(équivalente)_d'une_force_«_conservative_»|2^ème définition (équivalente) d'une force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> ; <br>{{Al|3}}lorsqu'il s’agit d'un couple de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, il faut évaluer son travail élémentaire en envisageant une rotation élémentaire quelconque autour de n'importe quelle direction, le couple est alors conservatif si ce travail élémentaire est une différentielle de fonction mais <br>{{Al|3}}{{Transparent|lorsqu'il s'agit d'un couple }}dans le cas d’un couple de torsion de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, la seule direction autour de laquelle peut s’effectuer une rotation élémentaire est celle du fil c.-à-d. celle de <math>\,\vec{\Gamma}\,</math> et par suite la seule condition pour que le couple de torsion soit conservatif est que son travail élémentaire en considérant une rotation élémentaire autour de la direction du fil de torsion soit une différentielle de fonction ou encore que « le moment scalaire du couple de torsion par rapport au fil ne dépende que de l'angle de torsion <math>\,\alpha\;</math>» C.Q.E.R. <math>\,\big(</math>Ce Qui Est Réalisé<math>\big)</math>.</ref>. === Énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion === {{Al|5}}L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,U_{\text{tors}}\,</math> dont « dérive » le couple de torsion de vecteur moment <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}est définie par «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#1ère_définition_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|1^ère définition de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> c.-à-d. «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(\alpha)\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\,</math> ou <math>\,-C\;\alpha\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <math>\Leftrightarrow</math> «<math>\;\dfrac{dU_{\text{tors}}}{d \alpha} = C\;\alpha\;</math>» soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}en intégrant «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2 + cste\;</math>» ; choisissant la référence de l’énergie potentielle de torsion <math>\;U_{\text{tors}}(\alpha)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle"> C.-à-d. l'endroit où l'énergie potentielle est choisie nulle.</ref> <br>{{Al|7}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> en intégrant «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\alpha) = 2\; C\;\alpha^2 + cste}\;</math>» ; choisissant la référence }}quand le fil n’est pas tordu c.-à-d. <math>\,U_{\text{tors}}(0) = 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = 0</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}l'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d’un fil et sa conservation en absence de frottement === [[File:Pendule de torsion sans masselottes - actions exercées.png|thumb|500px|Schéma d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] représenté sans masselottes additives et avec fil inférieur sans torsion avec ajout des actions exercées sur la tige à l'instant <math>\;t</math>]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec un seul fil de torsion, l'autre fil étant sans torsion <math>\,\big(</math>voir schéma ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec un seul fil de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}la seule action extérieure de moment scalaire non nul par rapport à la direction <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}commune du fil de torsion et du fil sans torsion <math>\;\big(</math>orientée par le vecteur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> étant le couple « conservatif » de torsion <ref name="conservativité du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Caractère_conservatif_du_couple_de_torsion|caractère conservatif du couple de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}moment vectoriel «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}} = -C\;\alpha\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion /> auquel on associe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie potentielle de torsion du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre valant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;U_{\text{tors}}(t) =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion énergie potentielle de torsion }}<math>\,\dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_torsion_du_solide_relié_au_fil_de_torsion|énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}son énergie cinétique à la date <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{pend. tors.}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique }}<math>J_{CO_{\text{sup}}}\,</math> est le moment d'inertie du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] relativement à la <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique <math>\color{transparent}{J_{CO_{\text{sup}}}}\,</math> est }}direction du fil de torsion et du fil sans torsion <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à l'instant <math>\,t\,</math> selon «<math>\;E_m(t) = K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Propriétés_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|propriétés de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] (2^ème propriété) » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha_0 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\alpha(0) = \alpha_0\;</math> et <math>\,\dot{\alpha}(0) = 0\;</math>». [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]]]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige <math>\,\big(</math>voir photographie ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec deux fils de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}il y a deux actions extérieures s'exerçant sur le solide « tige + masselottes » de moment scalaire non nul par rapport à <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}la direction commune <math>\,\Delta_C\,</math> des deux fils de torsion <math>\,\big(</math>orientée par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}élémentaire du solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}prouve le <u>caractère conservatif du couple de torsion du fil supérieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}supérieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = -d U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta = -d U_{\text{tors. sup.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. sup.}}}{d \theta} = C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\,</math> qui s'intègre en <math>\,U_{\text{tors. sup.}}</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,= \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> et, en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. sup.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du solide à l'équilibre » c.-à-d. <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre"> Revoir l'explication rappelée dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans le chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil supérieur du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta_1 - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_1 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion"> Symboliquement l'énergie potentielle d'un solide dans le champ de torsion d'un fil de torsion s'obtient, à une constante additive près, par la moitié du produit de la constante de torsion du fil et du carré de l'angle de torsion, à l'instant <math>\;t</math>, du fil au point d'attache du solide.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation élémentaire du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\; \theta(t)\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et prouve le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<u>caractère conservatif du couple de torsion du fil inférieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}inférieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = -d U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\;\theta\;d \theta = -d U_{\text{tors. inf.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. inf.}}}{d \theta} = C\; \theta\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{tors. inf.}} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} + cste_2\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. inf.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position du solide à l'équilibre » c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil inférieur du solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2} + cste_2 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_2 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}finalement l'énergie potentielle globale de torsion du solide « tige + masselottes » <math>\,\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale }}s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = U_{\text{tors. sup.}}(\theta) + U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» ou, en simplifiant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale s'écrit }}«<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2\;</math>» <ref> En effet <math>\,\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + 2\;C\; \theta_1^{\,2} + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + C\; \theta_1^{\,2} = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2</math>.</ref>{{,}} <ref> Cette énergie potentielle de torsion du solide « tige + masselottes » est la même que celle que l'on obtiendrait avec un seul fil de torsion de constante de torsion <math>\,2\,C</math>, l'autre fil étant sans torsion avec la référence en la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>.</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule ci-dessus étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «<math>\;\color{transparent}{K_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#%Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torion par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique de l'ensemble tige + masselottes) » plus haut dans ce chapitre.</ref> avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule }}<math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion des deux fils définie, à l'instant <math>\,t\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie mécanique }}«<math>\;E_m(t) = K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}\! \left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\alpha\;</math>» dans le 1^er exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] ou <br>{{Al|57}}celui «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta - \theta_1 \right]^2 \,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du 2^ème exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|même]] paragraphe <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}étant parabolique, nous retrouvons la <u>2^ème définition d’un oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math>de rotation<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_(équivalente)_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition (équivalente) énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. <br>{{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> de son mouvement dans le 2^ème exemple du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}«<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2 = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>», <br>{{Al|58}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}les C.I. <ref name="C.I." /> étant «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}est donc une <u>ellipse décrite dans le sens horaire</u> <ref name="portrait de phase d'un socillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Tracé_du_portrait_de_phase_de_la_charge_du_condensateur_d'un_«_R_L_C_série_»_soumis_à_un_échelon_de_tension_suivant_le_cœfficient_d'amortissement|propriétés des portraits de phase de la charge du condensateur d'un RLC série soumis à un échelon de tension suivant le cœfficient d'amortissement]] (cas d'un circuit oscillant non amorti en vert) » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. == Conservation de l’énergie mécanique du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) dans le champ de pesanteur uniforme == === Énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant === {{Al|5}}Dans le cas d'un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref><math>\big)</math>, le poids du solide étant la seule action extérieure travaillant et ce dernier étant conservatif <ref name="poids d'un objet conservatif"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Établissement_du_caractère_«_conservatif_»_du_poids_d'un_point_matériel_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|établissement du caractère conservatif du poids d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, }}on lui associe l'énergie potentielle de pesanteur «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta)\;</math>» <ref name="énergie potentielle de pesanteur"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#«_Énergie_potentielle_de_pesanteur_d'un_point_matériel_»_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|énergie potentielle de pesanteur d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> déterminée en intégrant «<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = -dU_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> avec <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)\,</math> travail élémentaire du poids lors d'une rotation élémentaire d'angle <math>\,d \theta = \dot{\theta}(t)\;dt\,</math> autour de <math>\,\Delta_O\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe «<math>\;\color{transparent}{\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)}\,</math>}}<math>= \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;dt = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)\;dt = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;d \theta\;</math>» <ref name="travail élémentaire du poids du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (actions extérieures exercées sur le solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> d'où <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}<math>\,-dU_{\text{pes}} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\;d \theta\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{pes}}}{d \theta}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\,</math> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right) + cste\;</math>» <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}soit, en choisissant comme référence de l'énergie potentielle <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> « la position <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}d'équilibre stable de ce dernier <ref name="équilibre stable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessous de ce dernier.</ref> <math>\,\theta_{\text{éq. stable}} = 0\;</math>» d'où <math>\,U_{\text{pes}}(0) = 0\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}<math>\Rightarrow</math> <math>\,0 = -m\;g\;\mathfrak{a} + cste\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = m\;g\;\mathfrak{a}\,</math> d'où l'expression de <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}l'énergie potentielle de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> se réécrit selon <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta \right) \right]\;</math>» <ref> Pour trouver l'expression de l'énergie potentielle de pesanteur on peut aussi utiliser <math>\,\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = m\;g\;dz_G = -dU_{\text{pes}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{pes}} = -m\;g\;z_G + cste\,</math> sachant que <math>\,z_G = \mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right)\,</math> avec pour position d'équilibre stable <math>\,z_{G,\,\text{éq. stable}} = \mathfrak{a}</math> <math>\;\ldots</math></ref> <math>\,\big(</math>référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : la position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement === {{Al|5}}Considérant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A." /><math>\big)</math>, l'énergie potentielle de pesanteur étant «<math>\;U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right] = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\,</math> avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> <math>\,\theta_{\text{équi. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P."/> » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> et <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie cinétique du solide constituant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique du solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> dans laquelle <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie cinétique}}«<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du solide par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie mécanique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> dans le champ de pesanteur «<math>\;E_m\!(t) = K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) + U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right]</math> <br>{{Al|23}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie mécanique du P.P.N.A. dans le champ de pesanteur «<math>\;\color{transparent}{E_m\!(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{P.P.N.A.}}(t) + U_{\text{pes}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P..P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\,\left[ 1 - \cos(\theta) \right]\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}n'étant pas parabolique <math>\,\big(</math>mais sinusoïdal<math>\big)</math>, nous pouvons affirmer que <u>le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> n'est pas un oscillateur harmonique</u> <math>\,\big(</math>quand il est en situation d'osciller<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <math>\blacktriangleright\;</math>« oscillatoire pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'énergie mécanique initiale du P.P.N.A. vaut «<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^2 + m\;g\; \mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta_0 \right) \right]\;</math>».</ref> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. est }}<math>\blacktriangleright\;</math>« révolutive pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="étude du mouvement d'un P.P.N.A. par diagramme d'énergies"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Étude_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_dans_le_cas_général_des_élongations_angulaires_non_petites_par_diagramme_énergétique|étude du mouvement du P.P.(N.A.) dans le cas général des élongations angulaires non petites par diagramme énergétique]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}de démontrer, avec utilisation simultanée de l'intégrale 1^ère énergétique <ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'intégrale 1^ère énergétique du P.P.N.A. s'écrit «<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^{\,2} + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet de démontrer, }}la nature « périodique <math>\,\big(</math>oscillatoire ou révolutive<math>\big)\;</math>» ainsi que <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}d’établir l’expression de la période sous forme intégrale <math>\ldots</math> {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Les [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d’un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ayant pour équation implicite l’intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\;</math><ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" /> de son mouvement lequel dépend de la valeur de l'énergie mécanique initiale <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />, <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. }}diffèrent suivant <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="différents portraits de phase d'un P.P.N.A."> Voir les paragraphes « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Tracé_des_portraits_de_phase_dans_le_cas_général_«_d'oscillations_ou_de_mouvement_révolutif_»_d'un_P.P.S._lancé_dans_les_C.I._«_1b_U_1a_»|tracé des portraits de phase dans le cas général d'oscillations ou de mouvement révolutif d'un P.P.S. lancé dans les C.I. 1b U 1a]] » du chap.<math>12</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\,\big(</math>l'allure des [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti étant la même que ceux d'un [[w:Pendule_simple|pendule simple]] non amorti<math>\big)\,</math> et « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Différents_portraits_de_phase_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté),_«_bifurcation_»_entre_mouvement_«_pendulaire_»_et_révolutif|différents portraits de phase du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté), bifurcation entre mouvement pendulaire et révolutif]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>pendulaire</u> <ref name="pendulaire"> Adjectif synonyme d'« oscillatoire ».</ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>fermé</u>, décrit dans le « <u>sens horaire</u> » <ref name="justification du sens horaire"> Ou « trigonométrique indirect », en effet « quand <math>\,\dot{\theta}\,</math> est <math>\,> 0</math>, <math>\,\theta \nearrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \nearrow\,</math> puis <math>\,\searrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule » ensuite «<math>\;\dot{\theta}\,</math> est <math>\,< 0</math>, correspondant à <math>\,\theta \searrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \searrow\,</math> puis <math>\,\nearrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule de nouveau » <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}avec le point «<math>\;\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)\;</math>» comme « <u>centre de </u>{{Nobr|<u>symétrie</u> » <ref name="justification du centre de symétrie"> Invariance de l’équation en changeant «<math>\;\theta\,</math> en <math>\,-\theta\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des vitesses angulaires <math>\,\big(</math>en fait antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>» et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Invariance de l’équation }}en changeant «<math>\;\dot{\theta}\,</math> en <math>\,-\dot{\theta}\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des abscisses angulaires <math>\,\big(</math>là encore c'est une antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|3}}l’association des deux symétries axiales <math>\,\big(</math>ou plutôt des deux antisymétries axiales<math>\big)\,</math> donnant un centre de symétrie pour l'intersection des deux axes <math>\,\big[</math>le point d'intersection des deux axes étant réellement une symétrie centrale <math>\,\big(</math>et non une antisymétrie centrale<math>\big)</math>.</ref>}} <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, avec le point «<math>\;\color{transparent}{\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)}\;</math>» }}correspondant à la position d’équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /> du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ; <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> }}<math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>révolutif</u>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>ouvert</u>, constitué de la <u>répétition du motif de l'intervalle</u><math>\;\left] -\pi\, , \, \pi \right]</math>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase }}répété <math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \nearrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} > 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 > 0\;</math>» ou <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase répété }}<math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \searrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} < 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 < 0\;</math>», <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)\;</math>» et celui avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,-\dot{\theta}_0 > 0 \right)\;</math>» <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, le portrait de phase avec C.I. «<math>\;\color{transparent}{\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)}\;</math>» }}étant <u>antisymétriques</u> l'un de l'autre, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>maxima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre stable</u> <ref name="équilibre stable du P.P." /> «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres stables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» ;<br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}\;</math>»<math>\big)\;</math> alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big)</math>.</ref> et <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>minima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre instable</u> <ref name="équilibre instable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessus de ce dernier.</ref> «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;</math> <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, les minima de<math>\;\color{transparent}{\vert \dot{\theta} \vert}\;</math>obtenus pour les positions d’équilibre instable «<math>\;\color{transparent}{\theta_{\text{éq. inst.}} =}</math> }}<math>\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres instables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = -\left( 2\;p' + 1 \right)\, \pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big[</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big]\;</math>.</ref>. == « Généralisation » à tout « solide » : « théorème de la variation de l’énergie mécanique » et la forme locale associée « le théorème de la puissance mécanique », application au cas d’un solide amorti == {{Al|5}}Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à la généralisation à tout système de points matériels ou continu de matière « indéformable » <ref name="solide au sens de la mécanique" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à }}la généralisation aux systèmes de points matériels ou continus de matière « déformables » sera faite dans le chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Lois_de_l'énergie_cinétique_pour_un_système_déformable_de_points_matériels#«_En_complément_»,_théorème_de_la_variation_de_l’énergie_mécanique_appliqué_à_un_système_de_matière_déformable_dans_le_champ_des_forces_extérieures_et_intérieures_conservatives_et_sa_forme_locale_«_le_théorème_de_la_puissance_mécanique_»|en complément : théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un système de matière déformable dans le champ des forces extérieures et intérieures conservatives et sa forme locale le théorème de la puissance mécanique]] » du chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. === Théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s’écrivant «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\bullet\;</math>celles qui sont conservatives <math>\,\big(</math>lesquelles « dérivent » d’une énergie potentielle<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{ransparent}{\bullet}\;</math>}}dont le travail pendant cette durée finie est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées }}<math>\bullet\;</math>celles qui sont non conservatives <ref name="non conservatives"> Ou, si elles sont conservatives, dont on ne considère pas le caractère « conservatif ».</ref> dont le travail pendant cette durée finie <br>{{Al|12}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>celles qui sont non conservatives dont }}est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}d'où «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou, avec «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, }}<math>\big(U_{\text{ext}}\,</math> étant l'énergie potentielle dont dérivent les forces conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, <math>\color{ransparent}{\big(}</math>}}définie à une constante additive près précisée par choix de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}<math>\Rightarrow</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» d’où la réécriture du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « solide <math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\left( \mathcal{S} \right)} + U_{\text{ext}} \right] = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» où on reconnaît dans le 1^er membre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}la variation de l’énergie mécanique «<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t) + U_{\text{ext}}\!(t)\;</math>» du solide «<math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le champ des forces conservatives sur la durée <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> dans le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où dans le champ des forces conservatives }}référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen d'où, finalement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}le lien entre la variation de l'énergie mécanique du « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;\Delta E_m = E_{m,\,\mathcal{F}} - E_{m,\,\mathcal{I}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» le lien }}le travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> sur cette même durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}«<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» applicable à un solide dans un référentiel d’étude galiléen, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}l'énoncé du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie dans un référentiel galiléen <ref> Ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. sous la forme où il existe des forces extérieures non conservatives dissipatives mais, comme le cas où toutes les forces extérieures travaillant sont conservatives est clairement explicité <math>\,\big(</math>sous la forme de la conservation de l’énergie mécanique du solide<math>\big)</math>, le cas où il existe des forces extérieures travaillant et non conservatives <math>\,\big(</math>comme des forces de frottement<math>\big)\,</math> s’appliquant à un solide peut difficilement être ignoré d'où l'ajout du théorème sous sa forme la plus générale <math>\;\ldots</math></ref>. : {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}<math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <math>\,K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation «<math>\;\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» }}égale au travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale au travail }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire dans un référentiel galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique }}se déduit aisément de sa forme sur une durée finie soit {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}conservatives <math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}<math>K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> <math>\color{transarent}{K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)}\,</math> l'énergie cinétique }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation élementaire«<math>\;d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t)\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» }}égale au travail élémentaire des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» égale au travail }}appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;d E_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide }}est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée finie ou élémentaire se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>». === Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de la puissance mécanique est la forme locale associée à la forme intégrée <ref name="forme intégrée de forme locale" /> “ théorème de la variation de l'énergie mécanique sur une durée finie ou élémentaire ” ; {{Al|5}}pour obtenir cette forme locale on écrit le théorème de la variation de l’énergie mécanique d’un solide dans le champ des forces extérieures conservatives entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math><ref> C.-à-d. la forme élémentaire du théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un solide.</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on écrit }}«<math>\;dE_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\,</math> dans un référentiel galiléen » puis, <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on divise les deux membres par <math>\,dt\,</math> soit «<math>\;\dfrac{dE_m}{dt} = \dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{dE_m}{dt}\;</math>» est la dérivée temporelle de l’énergie mécanique du solide dans le champ des forces extérieures conservatives définissant <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}la puissance mécanique du solide à l'instant <math>\,t\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives, notée «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» la puissance instantanée développée, à l'instant <math>\,t</math>, par les forces extérieures non conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}appliquées au solide notée «<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on obtient «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» d'où l'énoncé du théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen : {{Théorème|titre=Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide »|contenu = {{Al|5}}La puissance mécanique à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> <math>\big[</math>avec, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie mécanique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{ext}}(t)}\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces }}conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math>» l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique }}est égale à la puissance instantanée développée par les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique est égale à }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> au même instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide à un instant <math>\,t\,</math> quelconque se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}c.-à-d., après intégration, « la conservation de l’énergie mécanique du solide précédemment défini ». === Application au cas d’un solide amorti === {{Al|5}}Parmi les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées à un solide et travaillant, « les plus fréquentes sont dissipatives » <ref> Mais elles peuvent aussi être motrices par exemple, si nous souhaitons que les oscillations d’un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ou d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] perdurent alors qu’existent naturellement des frottements {{Nobr|<math>\,\big(</math>même}} minimes<math>\big)</math>, il est nécessaire de les entretenir à l’aide d’une force extérieure motrice compensant les forces de frottement, cette force motrice étant alors usuellement non conservative tout comme le sont les forces de frottement.</ref> comme les forces de frottement fluide <math>\,\big(</math>ou solide<math>\big)</math> ; {{Al|5}}si les seules forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> travaillant sont des forces de frottement s'exerçant sur un solide en mouvement dans un référentiel galiléen, <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces }}conservatives <ref name="théorème de la puissance mécanique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_la_puissance_mécanique_appliqué_à_un_«_solide_»|théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}s’écrivant «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{frott}}\!(t) < 0\;</math>» dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}l'énergie mécanique de ce solide «<math>\;E_m(t) \searrow\,</math> au sens strict » avec <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}</math> <math>\big(</math>il est qualifié d'« amorti »<math>\big)</math>. ==== Cas particulier du pendule de torsion amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] dont la photographie est dans un « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|paragraphe plus haut dans ce chapitre]] » mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}avec les masselottes remplacées par des ailettes comme présenté dans le schéma de vue de dessus de la « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|remarque du paragraphe précité]] », <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d'un fil et sa conservation en absence de frotemment]] (2^ème exemple) » plus haut dans ce chapitre dans lequel <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> doit être remplacée par <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})</math>.</ref> dans le référentiel <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « }}<math>\big\{</math>avec <math>\,U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> la position d'équilibre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « <math>\color{transparent}{\big\{}</math>avec <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2}\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence }}du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}on en déduit la puissance mécanique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;\dot{E}_m(t) = J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + 2\;C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]\,\dot{\theta}(t)\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}la puissance du couple de frottement fluide linéaire <math>\,\big(</math>seules forces extérieures non conservatives travaillant de moment scalaire par rapport à l'axe de rotation du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion la puissance du couple de frottement fluide linéaire <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>}}<math>\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion" />, <math>\,H\,</math> étant une constante positive <ref> Exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frottent les ailettes.</ref><math>\big)\,</math> <br>{{Al|6}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion la puissance du couple de frottement fluide linéaire }}agissant sur les ailettes du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étant «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] (remarque : actions extérieures exercées sur l'ensemble “ tige et ailettes ”) » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}le théorème de la puissance mécanique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» ou <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» ou encore, <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + 2\;C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]\,\dot{\theta}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}après simplication par <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> non identiquement nulle <ref name="hors position d'équilibre" /> et normalisation <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <ref> Identique à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Identique }}à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] (2^ème exemple où les masselottes sont remplacées par des ailettes) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <center>«<math>\;\ddot{\theta}(t) + + \dfrac{H}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta_1\;</math>».</center> ==== Cas particulier du pendule pesant à un degré de liberté amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] à un degré de liberté dont le schéma est dans un « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|paragraphe plus haut dans le chapitre]] » dans lequel <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}des frottements fluides linéaires agissent sur le [[w:Pendule_pesant|pendule]] comme présentées dans le schéma de la « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|remarque du paragraphe précité]] », <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}l'énergie mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frotemment]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> dans le référentiel <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté l'énergie mécanique du P.P.A. étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « }}<math>\big\{</math>avec <math>\,U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\,</math> l'énergie potentielle de pesanteur <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté l'énergie mécanique du P.P.A. étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « <math>\color{transparent}{\big\{}</math>}}la position d'équilibre stable du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> <math>\,\theta_{\text{équi. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P."/><math>\big\}</math>, {{Al|5}}les forces de frottement fluide linéaire dont le moment scalaire relativement à l'axe <math>\;\Delta_O\;</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t) = -H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» a été établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « Mécanique 2 (PCSI) » <math>\;\big[H\;</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du pendule, de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel il frotte<math>\big]\;</math> montre que ces forces de frottement est un système non conservatif <ref name="raison du caractère non conservatif" />, la puissance de ces forces de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\;t</math>, selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right] =</math> <math>\mathcal{M}_{\!\Delta_O,\,\text{flu}}(t)\;\dot{\theta}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}l'énergie mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> étant «<math>\;E_m(t) = K(t) + U_{\text{pes}}\!\left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> à l'instant <math>\;t\;</math> dans le référentiel d'étude <math>\;\mathcal{R}</math>, <math>\;\big[J_{\Delta_O}\;</math> étant le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> relativement à son axe <math>\;\Delta_O\;</math> de rotation <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /><math>\big]\;</math> on en déduit aisément, dans <math>\;\mathcal{R}\;</math> et à l'instant <math>\;t</math>, la puissance mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en formant <math>\;\dot{E}_m(t) = \dfrac{d E_m}{dt}(t)\;</math> puis {{Al|5}}l’application du théorème de la puissance mécanique au P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> nous conduit à «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right]\;</math>» ou «<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» soit encore, {{Al|5}}en explicitant la dérivée temporelle de l’énergie mécanique puis en divisant par «<math>\;\dot{\theta}\!(t)\;</math>», l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon «Mécanique 2 (PCSI)» à savoir <center>«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) + H\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>».</center> == Notes et références == <references /> {{Bas de page | idfaculté = physique | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie|Approche énergét. du mouv. d'un sol. en rotat. autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels|Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels]] }} cb5femh5vf748ix6rvzw4jqhctmxp9j 987953 987952 2026-11-01T04:07:31Z Phl7605 31541 /* Cas particulier du pendule pesant à un degré de liberté amorti par frottement fluide linéaire */ 987953 wikitext text/x-wiki {{Chapitre | idfaculté = physique | numéro = 12 | niveau = 14 | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie/]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels/]] }} <center>Ce chapitre est traité dans le cadre de la dynamique newtonienne avec ajout de quelques éléments de dynamique relativiste.</center> == Théorème de l'énergie cinétique d’un système de matière, cas d’un solide en rotation autour d’un axe fixe == {{Al|5}}Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}est évidemment à connaître comme forme intégrée de la forme locale <ref name="forme intégrée de forme locale"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Lois_de_la_puissance_et_de_l'énergie_cinétiques#Différence_entre_«_forme_locale_de_la_dynamique_»_et_«_forme_intégrée_associée_à_cette_forme_locale_»|différence entre forme locale de la dynamique et forme intégrée associée à cette forme locale]] » du chap.<math>15</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> « théorème de la puissance <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}cinétique d'un système de matière » laquelle est inscrite explicitement dans le programme <math>\;\ldots</math> === Définition du travail du système des forces extérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque"> Par « système de matière quelconque » il faut entendre « système fermé discret de points matériels ou continu de matière » « déformable ou non ».</ref> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1"> A priori <math>\,N\,</math> pourrait être égal à <math>\,1\,</math> mais ce ne serait plus un système de points matériels mais un simple point matériel.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes"> C.-à-d. l’ensemble des paramètres de position et de vitesse de tous les points à l'instant de définition de l'état, tous ces paramètres permettant d’y décrire le système.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> entre }}l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Expression_du_travail_élémentaire_de_la_force_dont_le_point_d’application_subit_le_vecteur_déplacement_élémentaire_correspondant_à_la_durée_élémentaire_de_développement_de_sa_puissance|expression du travail élémentaire de la force dont le point d'application subit le vecteur déplacement élémentaire correspondant à la durée élémentaire de développement de sa puissance]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - bis"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="infiniment proches"> Instants infiniment proches.</ref>, son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité volumique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance volumique <math>\,\mathcal{P}_{\text{vol},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t)</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité surfacique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance surfacique <math>\,\mathcal{P}_{\text{surf},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) =</math>}} <math>\sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité linéique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance linéique <math>\,\mathcal{P}_{\text{lin},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right] dt\;</math>».</ref>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« chaque point <math>\,\color{transparent}{M_i}\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> entre «<math>\;\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\;</math>» }}son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\,</math> étant aussi tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces extérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces extérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" />. === Définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est également présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2"> Pour l'existence de forces intérieures appliquées à un système, <math>\,N\,</math> doit être évidemment <math>\,\geqslant\,</math> à <math>\,2</math>.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes" /> et l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" /> sachant que <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir }}le système des forces intérieures s'exerçant sur le système discret fermé de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le système des forces intérieures }}est défini comme « l'ensemble des forces <math>\,\vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t)\,</math> que chaque point <math>\,M_j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, exerce sur chaque point <math>\,M_i,\;\;i \neq j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math>» <ref name="système de forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Forces,_principe_des_actions_réciproques#Système_des_forces_intérieures_s’exerçant_sur_un_système_de_points_matériels_fermé|système des forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math> entre les instants <math>\;t\;</math> et <math>\;t + dt\;</math> selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i} \right]\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - ter"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> dans lequel, chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \mu(M')\;d \mathcal{V}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bivolumique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}}{d \mathcal{V}_{M'}\;d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \sigma(M')\;d S_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\;</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bisurfacique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}}{d S_{M'}\;d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \lambda(M')\;d \mathit{l}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\;\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bilinéique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}}{d \mathit{l}_{M'}\;d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace dt\;</math>».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces intérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces intérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière" />. {{Al|5}}<u>Remarque 1</u> : Le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures }}peut aussi être défini à partir de la puissance instantanée développée par les forces intérieures s’exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="définition de la puissance développée par les forces intérieures"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Définition_2|définition]] (de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures peut aussi être défini }}selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - tetra"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : }}le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}s'obtenant en ajoutant tous les travaux élémentaires de <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}peut se calculer à partir de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> peut se calculer }}par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>». {{Al|5}}<u>Remarque 2</u> : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math><ref name="définition du référentiel Rj"> Le référentiel «<math>\;\mathcal{R}_j\;</math>» est le référentiel lié à <math>\,M_j\,</math> en translation par rapport au référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#cite_note-puissance_des_forces_intérieures_s'exerçant_sur_système_continu_de_matière_-_ter-55|⁵⁵]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> dans le référentiel <math>\,\color{transparent}{\mathcal{R}}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}_{\text{int}}(t)}</math> }}<math>= \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Autres_expressions_équivalentes|autres expressions équivalentes]] de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj"> Le point <math>\,M_i\,</math> décrivant dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_j</math> <math>\,\big[</math>lié à <math>\,M_j\,</math> et en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\big]\,</math> une trajectoire particulière <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}\;</math> entre les deux instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t)\big]\,</math> étant tangent à <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}</math>.</ref> ou <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures «}}<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right]\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : }}de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière" />{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" />{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" />. {{Al|5}}<u>Remarque 3</u> : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nulle <ref name="puissance des forces intérieures en général non nulle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (1^ère conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu"> Système discret de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique"> Le système se comporte donc comme un solide au sens de la mécanique.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures nulle pour un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (3^ème conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = 0\;\;\forall\;t\,</math> pour <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = 0\;\;\forall\;\left[ t\,,\,t + dt \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> le devient }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = 0\;\;\forall\;\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> ». === Théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Partant du théorème de la puissance cinétique appliqué, à l'instant <math>\,t</math>, à un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Énoncé|énoncé]] du théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> dans lequel <math>\,\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math> est la puissance cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{ext}}(t)\,</math> la puissance développée par les forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\,</math> celle développée par les forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la même date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on multiplie par <math>\,dt\,</math> pour obtenir la forme élémentaire du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir la forme élémentaire }}entre «<math>\;t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\;</math>» où <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> est la variation élémentaire d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{ext}}\,</math> le travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{int}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur le même <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on intègre entre <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique }}entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec <math>\,\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\,</math> variation d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\,</math> }}sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> le travail des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> le travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> celui des forces intérieures }}sur le même <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>. {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> étant nul quel que soit le mouvement du système » <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Définition_du_travail_du_système_des_forces_intérieures_appliquées_à_un_«_système_de_matière_»_entre_un_état_initial_et_un_état_final|définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un système de matière entre un état initial et un état final]] (remarque 3) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul }}<math>\Rightarrow</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide sous sa forme élémentaire ou <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide }}sur une durée finie : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière en translation » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière"> Système fermé discret fermé de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> en translation » <ref name="système en translation"> Un « système de matière en translation » ne se déformant pas peut aussi être qualifié de « solide » au sens de la mécanique.</ref>, tous les points ont le même vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> égal à celui du C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> <math>\,G\,</math> du système, d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\!G}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <ref name="signification du travail élémentaire développé par les forces extérieures appliquées à un système en translation"> Dans cette 3^ème expression «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» est aussi « le travail élémentaire qui serait développé, sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\,t + dt \right],</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>, par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans <math>\,\mathcal{R}\;</math>» <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», ce dernier s'obtenant par application du théorème du mouvement du C.D.I. <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Principe_fondamental_de_la_dynamique_et_théorème_de_la_résultante_cinétique#Énoncé_du_théorème_(dynamique_newtonienne)|énoncé du théorème (dynamique newtonienne)]] du mouvement du C.D.I. d'un système » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> correspondant aussi à l'application de la r.f.d.n. <math>\,\big(</math>relation fondamentale de la dynamique newtonienne<math>\big)\,</math> au point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>» sur lequel s'exercerait la résultante dynamique<math>\big\}</math>.</ref> dans laquelle «<math>\;\vec{F}_{\text{ext}}(t)\;</math> est la résultante <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}«}}dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» <ref> Voir les paragraphes « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_en_translation_»|cas d'un système de matière en translation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » et « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissancce développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces intérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{int},\,\text{syst. en transl.}} = 0\;</math>» <ref name="système en translation" />{{,}} <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>de la variation élémentaire de l'énergie cinétique du système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en transl.}}\;</math>» avec «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="signification de l'énergie cinétique d'un système en translation"> Dans cette 2^ème expression «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» est aussi « l'énergie cinétique newtonienne du point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans {{Nobr|<math>\,\mathcal{R}\,</math>»}} <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», tous les points du système en translation ayant même vitesse que le C.D.I. <math>\,G\big\}</math>.</ref> l'énergie cinétique <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, dans le cadre de la cinétique newtonienne <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en translation"> Voir le paragraphe « énergie cinétique dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Cas_d'un_système_en_translation|cas d'un système en translation]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique }}appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" />{{, }} <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque dans un référentiel galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> nous obtenons : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un référentiel <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière en translation <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> étant le C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> et <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =}</math> }}la résultante dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\,</math> ou <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste"> Applicable sous cette forme dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste.</ref> avec <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="système fermé de matière" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système en translation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =</math> <math>K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail effectué par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail effectué par la résultante dynamique }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <br>{{Al|208}}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Ce théorème <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais il doit bien sûr être connu <ref> Sans doute ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. car on considère usuellement un système de matière en translation comme un point matériel <math>\,\big(</math>le C.D.I. <math>\,G\,</math> du système<math>\big)\,</math> sur lequel s'exerce la résultante dynamique du système et, selon ce point de vue, le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un système de matière en translation n'est rien d'autre que le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un point matériel, lequel est, quant à lui, au programme <math>\;\ldots</math></ref>. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}<u>Préliminaire</u> : Un « système <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » peut, a priori, se déformer <ref name="système en rotation autour d'un axe"> Par exemple, en se dilatant, c.-à-d. que chaque point du système, en plus de sa rotation autour d'un axe fixe, s'éloigne radialement de cet axe <math>\,\big(</math>la vitesse d'éloignement pouvant être différente d'un point à un autre<math>\big)\,</math> mais dans ce cas il ne s'agit pas d'une rotation « pure » <math>\;\ldots</math> <br>{{Al|3}}Pour maintenir une même vitesse angulaire à un instant <math>\,t\,</math> pour tous les points d'un « système déformable », il faut que le mouvement orthoradial de chacun des points soit corrélé au mouvement radial correspondant, avec absence de mouvement axial, c.-à-d. que, pour deux points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> tels que la droite <math>\,M_iM_j\,</math> recoupe l'axe <math>\,\Delta\,</math> perpendiculairement en <math>\,H_{i,\,j}</math>, <math>\,\big[</math>les points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> ayant donc même abscisse angulaire <math>\,\theta_{i,\,j}(t)\big]\,</math> on ait <math>\,\dot{\theta}_{i,\,j}(t) = \overline{\Omega}(t)</math> <math>\,\big[</math>donc indépendant de <math>\,\left( i\,,\, j \right)\big]\,</math> pour tout instant <math>\,t\,</math> et pour tout couple <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> dont les éléments ont même abscisse angulaire, ces conditions étant très contraignantes sont quasiment jamais réalisées naturellement <math>\;\ldots</math></ref>, toutefois, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Préliminaire : un « système <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>fermé<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » }}il est, en pratique, indéformable et est alors qualifié de « solide » au sens de la mécanique ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Préliminaire : }}l’exposé ci-dessous s'applique à un système discret <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de points matériels ou un système continu <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}<u>Exposé</u> : Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière" /> indéformable, en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe <math>\,\Delta</math>, fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen », <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}tous les points ont le même vecteur rotation instantanée <math>\,\vec{\Omega}(t) = \overline{\Omega}(t)\;\vec{u}_{\Delta}\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\big[\vec{u}_{\Delta}\,</math> étant le vecteur unitaire orientant l'axe de rotation <math>\,\Delta\,</math> et <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\big[}</math>}}autour de cet axe de rotation <math>\,\Delta\big]\,</math> d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe"> Expression ne nécessitant pas que l'axe <math>\,\Delta\,</math> soit fixe, la fixité de l'axe dans un référentiel intervenant quand ce dernier est galiléen et quand on utilise l'un des théorèmes fondamentaux de la dynamique de rotation des systèmes <math>\,\big\{</math>par exemple le théorème de l'énergie cinétique établi dans ce paragraphe mais le traavail élémentaire déveeloppé par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» ne nécessite pas que <math>\,\Delta\,</math> soit fixe<math>\big\}</math>.</ref>{{,}} <ref name="travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur un système en rotation"> Voir le paragraphe « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> {{Nobr|«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)</math>}} <math>= \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;</math>» et le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\delta W\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right] = \mathcal{P}\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right]\;dt\;</math>» puis, en faisant la somme membre à membre de façon à définir le travail élémentaire du sytème des forces extérieures s'exerçant sur le système en rotation «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)\;dt\;</math>».</ref> où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> est le moment <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» ou, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>du travail élémentaire }}avec «<math>\;\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta\;</math>» dans lequel <math>\,\theta(t)\,</math> est l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, la réécriture <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>,«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>de la variation de l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}}\;</math>» avec, l'énergie cinétique, à l'instant <math>\,t</math>, de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le cadre de la cinétique newtonienne «<math>\;K_{\text{syst. en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en rotation autour d'un axe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d’un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d’un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> avec «<math>\;J_\Delta\,</math> le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}relativement à <math>\,\Delta\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe"> Voir la notion de moment d'inertie d'un système discret ou continu dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Application_à_un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe#Application_au_cas_d'un_«_système_fermé_de_matière_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe_«_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|application d'un système fermé de matière en rotation autour d'un axe Δ fixe quelconque dans un référentiel d'étuide galiléen]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> d'où, en cinétique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> appliqué à un solide <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_solide_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d'un système }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> avec «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» et «<math>\;\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <math>\,\overline{\Omega}(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}<math>= \dot{\theta}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> encore égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>avec <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> et <math>\,\theta(t)\,</math> l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" />, sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail du moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail du }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[\theta(t)\,</math> étant l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation est égale au travail du «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[\theta}\,</math> étant l'abscisse angulaire }}à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> étant le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = 2\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)}\;</math>» <math>\,\big[</math>}}<math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] <math>\,\big(</math>photographié ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_(non_amorti)|mise en équation différentielle du mouvement du pendule de torsion (non amorti)]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Théorème_de_la_puissance_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_autour_d'un_axe_Δ_fixe_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe dans un référentiel d'étude galiléen]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. {{Al|5}}Ci-contre le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec deux fils de torsion identiques de même constante de torsion «<math>\;C\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec }}positions de masselottes identiques <math>\,\big(</math>sauf pour la couleur<math>\big)\,</math> de part et d'autre du point <math>\,C\,</math><ref name="distinction entre point d'attache des fils sur la tige et constante de torsion des fils"> On accepte la même notation pour le point d'attache des deux fils sur la tige et la constante de torsion de ces derniers tant qu'il n'y a pas d'ambiguïté <math>\,\big(</math>ce qui ne devrait jamais arriver compte-tenu du fait que ces deux grandeurs sont de nature différente<math>\big)</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec positions de masselottes identiques }}<math>\,\big(C\,</math> point d’attache des deux fils de torsion sur la tige<math>\big)</math> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre <math>\,\big(</math>en absence de masselottes<math>\big)\,</math> diffère du « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] » de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici l'extrémité supérieure <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil de torsion supérieur est mobile au lieu d'être fixe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur étant dans les deux fixe et <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici la torsion initiale est fournie par rotation propre de <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> d'un angle «<math>\;2\,\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>repéré sur le cercle gradué lié à <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}</math>, position de référence du cercle gradué<math>\big)\,</math> <math>\Rightarrow</math> en pratique, après quelques oscillations, la tige <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}acquiert la position d'équilibre repérée par l'angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>voir vérification ci-dessous<math>\big)\,</math> alors que <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] la torsion initiale est fournie par rotation de la tige d'un angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>également repéré <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>dans le pendule du chap.7 }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}\big)</math>, la position d'équilibre de la tige étant repérée par l'angle nul ; {{Al|5}}<u>vérification de la position d'équilibre de la tige dans le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}orientant les deux fils de torsion du bas vers le haut, quand la tige acquiert la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion supérieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche"> Une hélice est « droite » si le point tourne sur la gauche <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique direct ou encore dans le sens antihoraire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée et <br>{{Al|31}}elle est « gauche » si le point tourne sur la droite <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique indirect ou encore dans le sens horaire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée <br>{{Al|3}}<math>\,\big[</math>revoir aussi la distinction « hélices gauche ou droite » dans le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Mouvement_de_particules_chargées_dans_des_champs_électrique_et_magnétique_:_Cas_particulier_d'un_champ_magnétostatique_uniforme#Nature_hélicoïdale_uniforme_du_mouvement_de_la_particule|nature hélicoïdale uniforme du mouvement de la particule]] » du chap.<math>24</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> d'un angle «<math>\;\theta_1 - 2\;\theta_1 = -\theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil"> L'angle de torsion du fil qui intervient dans le vecteur moment du couple de torsion est l'angle que fait l'extrémité mobile relativement à l'extrémité maintenue fixe même si cette extrémité est fixée avec torsion initiale comme c'est le cas pour le fil supérieur <math>\,\big\{</math>on peut vérifier que cette définition correspond bien au schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » car {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{A_0B_0}\;</math>»}} est lié à l'extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil supérieur et «<math>\;\overrightarrow{AB}\;</math>» à l’extrémité mobile <math>\,C\,</math> et il en est de même pour l'éventuel fil de torsion inférieur<math>\big\}</math>.</ref> par rapport à son extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion supérieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} = -C \left( -\theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion inférieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche" /> d’un angle «<math>\;\theta_1 - 0 = \theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil" /> par rapport à l’extrémité <math>\;O_{\text{inf}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion inférieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = -C \left( \theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = -C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur la tige vérifiant «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} + \vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = \vec{0}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur }}la tige est effectivement en équilibre dans cette position <math>\;\ldots</math> {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <math>\,\big\{</math>ensemble solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC"> L'axe <math>\,\Delta_C\,</math> est le support des fils de torsion.</ref> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemb}}le solide étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles"> Repérée par rapport à la position de l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemble solide étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des masselottes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des masselottes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des masselottes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur"> L'angle de torsion du fil supérieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 2\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation"> Il s'agit de l'application de la puissance instantanée développée par un système de forces extérieures sur un solide en rotation autour d'un axe fixe <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d'un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> quand le système de forces extérieures est équivalent à un couple <math>\,\big[</math>c.-à-d. un système dont la résultante est nulle et dont le moment résultant scalaire relativement à l'axe de rotation définit le moment scalaire du couple<math>\big]</math>.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur"> L'angle de torsion du fil inférieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 0 = \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cin%C3%A9tique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d'un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;</math> est le moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et masselottes » en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_C\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre"> Ce qui suppose que <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> est non identiquement nulle <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\theta(t)\,</math> n'est pas une constante c.-à-d. que le solide n'est pas à sa position d'équilibre.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à droite «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta_1\;</math>», équation différentielle linéaire <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants sans terme du 1^er ordre hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_non_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition non énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] », la présence d'un 2^nd membre constant signifiant que le paramètre caractérisant l'oscillateur dans l'espace n'est pas nul à l'équilibre.</ref> de rotation ; {{Al|5}}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Conséquence_«_le_pendule_de_torsion_(non_amorti)_est_un_oscillateur_harmonique_non_amorti_de_rotation_»|conséquence : le pendule de torsion (non amorti) est un oscillateur harmonique non amorti de rotation]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » ; [[File:Pendule de torsion amorti - vue de dessus.png|thumb|300px|Vue de dessus d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti par substitution d'ailettes planes aux masselottes fixées sur la tige <math>\,\big(</math>les fils de torsion supérieur et inférieur <math>\,\perp\,</math> au plan de la figure ne peuvent y être représentés<math>\big)</math>]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> du }}<math>\big(</math>voir vue de dessus partielle représentée ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre étant écarté initialement comme celui de début de paragraphe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, le pendule ci-contre étant écarté initialement }}la tige acquiert donc une position d'équilibre repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}l'ensemble « tige et ailettes » étant un solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC" /> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant }}le solide est, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant le solide est, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}les actions extérieures sont <math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des ailettes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{ailettte}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des ailettes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des ailettes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{ailette}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu dans lequel se déplace le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] exercent sur les ailettes, modélisées par un <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> }}couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Couple_de_frottement_fluide_linéaire_agissant_sur_le_pendule_par_l’intermédiaire_des_ailettes|couple de frottement fluide linéaire agissant sur le pendule par l'intermédiaire des ailettes]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple }}<math>\big[H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}et du fluide sur lequel frottent les ailettes<math>\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide la puissance instantanée }}selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\,</math> est le moment d'inertie du solide « tige + ailettes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et ailettes » en rotation autour de <math>\,\Delta_C\,</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t) - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t) - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1 - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étudié «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta_1\;</math>», équation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}différentielle linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique" /> de rotation ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Loi_horaire_de_position_angulaire_du_pendule_de_torsion_amorti|loi horaire de position angulaire du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ». == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule pesant non amorti à un degré de liberté - forces extérieures.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté <math>\,\big(</math>schématisé ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_non_amorti_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_du_moment_cinétique_scalaire|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant non amorti (à un degré de liberté) par application du théorème du moment cinétique scalaire]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />. {{Al|5}}Ci-contre schéma de face du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] idéale <ref name="liaison idéale"> C.-à-d. dans laquelle on peut négliger les frottements solides.</ref> du solide en rotation autour de l’axe horizontal <math>\,\Delta_O\;</math><ref name="liaison pivot du pendule"> Pour plus de détails voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Présentation_du_pendule_pesant_(non_amorti)_«_P.P.(N.A.)_»|présentation du pendule pesant (non amorti) P.P.(N.A.)]] (liaison pivot avec le point O) » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Non Amorti.</ref> à un degré de liberté ayant un mouvement de rotation imposé par la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] du solide avec l'axe <math>\,\Delta_O</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté }}son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,O</math>, d'axe <math>\,\Delta_O\,</math> orienté par le vecteur unitaire «<math>\;\vec{u}_{\Delta_O}\;</math>» et <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,\color{transparent}{O}</math>, }}de rayon «<math>\;\mathfrak{a}\;</math>» avec, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. }}<math>G\,</math> repéré par son abscisse angulaire «<math>\;\theta_G(t) = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\overrightarrow{OG}(t) \right\rbrace} = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\vec{u}_r(t) \right\rbrace}\;</math>» <ref name="noté theta"> Noté «<math>\;\theta(t)\;</math>» par la suite en absence d'ambiguïté.</ref> ; {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = \left[ \overrightarrow{OG}(t) \wedge m\;\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_O} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids"> Le moment vectoriel du poids par rapport à <math>\,O\,</math> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)\;</math>» a établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_liaison_sphérique_et_avec_les_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b),_établissement_de_la_nature_plane_du_mouvement_du_C.D.I._G_du_P.P.(N.A.)|dans le cas d'une liaison sphérique et avec les C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), établissement de la nature plane du mouvement du C.D.I. G du P.P.(N.A.)]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] », soit «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\varphi_G}(t)\;</math>» avec <math>\,\vec{u}_{\varphi_G}\,</math> s'identifiant à <math>\,\vec{u}_{\Delta_O}</math>. <br>{{Al|3}}On pouvait aussi déterminer directement le moment scalaire du poids, le schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_«_liaison_pivot_»_ou_d’une_«_liaison_sphérique_avec_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b)_»,_nouveau_repérage_adapté_à_la_nature_rotatoire_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_à_un_degré_de_liberté|dans le cas d'une liaison pivot ou d'une liaison sphérique avec C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), nouveau repérage adapté à la nature rotatoire du mouvement du P.P.(N.A.) à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » étant fait avec le paramètre de position angulaire <math>\,\theta > 0</math>, on observe que le poids tend à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,-\,</math> avec un bras de levier <math>\,\big(</math>distance orthogonale séparant l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du support de <math>\,m\;\vec{g}\big)\,</math> égal à <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où, dans le cas où <math>\,\theta\,</math> est <math>\,> 0</math>, {{Nobr|«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)</math>}} <math>= - \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>» <math>\,\Big\{</math>le résultat est indépendant du signe de <math>\,\theta\,</math> mais si le schéma était fait avec <math>\,\theta < 0</math>, on observerait que le poids tendrait à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,+\,</math> avec un bras de levier <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = + \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = m\;g\;\left[ -\mathfrak{a}\; \sin(\theta) \right] = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>», soit effectivement le même résultat <math>\,\big[</math>avec toutefois une possibilité d'erreur si on oubliait que <math>\,\theta < 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert = -\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\big]\Big\}</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_particulier_où_M_est_en_mouvement_circulaire_d'axe_Δ_et_de_vitesse_angulaire_instantanée_Ω(t)|cas particulier où M est en mouvement circulaire d'axe Δ et de vitesse angulaire instantanée Ω(t)]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> de la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I."> Conditions Initiales.</ref> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O"> On a établi dans la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#cite_note-réduction_à_deux_composantes_de_la_réaction_dans_ces_C.I.-18|¹⁸]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » que la réaction du point <math>\,O\,</math> dans l'hypothèse d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] sur le pendule lancé dans les C.I. <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\,</math> ou <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\,</math> s'écrirait <math>\,\vec{R}(t) =</math> <math>R_{\rho_G}(t)\;\vec{u}_{\rho_G}(t) + R_z(t)\;\vec{u}_z</math>, c.-à-d. que la réaction serait dans le plan vertical de lancement soit encore «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» ; <br>{{Al|3}}on établit de même <math>\,\big[</math>sans que cela ait été exposé dans le chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> que la réaction de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le pendule quels que soient les C.I. de lancement compatibles avec la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] s'écrit «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>».</ref> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul"> En effet la force étant <math>\,\perp\,</math> à l'axe par rapport auquel son moment scalaire est évalué est de bras de levier nul.</ref> auquel s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe"> Le couple étant de moment vectoriel <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta_O</math>.</ref> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée à la date <math>\,t\,</math> par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée développée à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|7}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}sans terme du 1^er ordre ; {{Al|5}}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique"> On appelle « [[w:Solution_de_forme_fermée|solution analytique]] » d'une équation différentielle, une expression mathématique <math>\,\big(</math>souvent dite « formule explicite »<math>\big)\,</math> pouvant s'obtenir par une combinaison d'opérations et de [[w:Fonction_de_référence|fonctions de référence]] <math>\,\big(</math>c.-à-d. fonctions affines, puissances, trigonométriques et exponentielles ainsi que leurs fonctions inverses sur un domaine de définition restreint pour lequel il y a bijection et même certaines solutions d'équations différentielles dites de référence<math>\big)</math>, les opérations étant l'addition, la soustraction, la multiplication, la division et l'extraction de racines.</ref> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’élongations_angulaires_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'élongations angulaires non petites]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il est nécessaire de procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="solution analytique dans le cas d'élongations petites"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Cas_particulier_des_«_petites_élongations_angulaires_»,_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_=_oscillateur_harmonique_(non_amorti)_approché_de_rotation,_période_des_«_petites_oscillations_»|cas particulier des petites élongations angulaires, pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) oscillateur harmonique (non amorti) approché de rotation, période des petites oscillations]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. [[File:Pendule pesant amorti à un degré de liberté - forces extérieures - bis.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures, <math>\,I\,</math> étant le point où la résultante des forces de frottement fluide peut être appliquée]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti <math>\,\big(</math>voir coupe partielle représentée ci-contre<math>\big)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire" /> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I." /> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O" /> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul" /> où s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe" /> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu où se déplace le [[w:Pendule_pesant|pendule]] exercent sur ce dernier, modélisées par <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}un couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_O}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti" />{{,}} <ref name="définition de H"> <math>\,H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]], de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frotte le solide.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Amorti.</ref> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0 - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right] - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_O}}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}avec terme linéaire du 1^er ordre ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique" /> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’amplitudes_initiales_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'amplitudes initiales non petites]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il faut procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique - bis"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » nécessitant néanmoins d'ajouter le terme d'amortissement <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A." />. == « En complément », caractère conservatif du couple de torsion, énergie potentielle de torsion et conservation de l’énergie mécanique du pendule de torsion (non amorti) dans le champ de torsion du fil == {{Al|5}}Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » ne sont pas explicités dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » }}il me semble souhaitable de le retenir <math>\,\big(</math>et bien sûr d’être capable de le retrouver<math>\big)</math>. === Caractère conservatif du couple de torsion === {{Al|5}}Le travail élémentaire d’un couple de torsion s’exerçant sur un solide, de vecteur moment «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t) = -C\;\alpha(t)\;\vec{u}_\Delta\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Expression_du_vecteur_moment_du_couple_de_torsion_exercé_par_le_fil_en_fonction_de_l'angle_de_torsion_«_α(t)_»,_notion_de_constante_de_torsion_«_C_»_du_fil_de_torsion|expression du vecteur moment du couple de torsion exercé par le fil de torsion α(t), notion de constante de torsion C du fil de torsion]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> lors d’une torsion élémentaire «<math>\;d \alpha\;</math>» <ref name="définition de Delta et alpha sur le fil de torsion"> <math>\,\Delta\,</math> étant la direction du fil de torsion orienté par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et «<math>\;\alpha\;</math>» l'angle de torsion algébrisé, défini au niveau de la liaison au solide dans le plan <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta\,</math> et orienté par <math>\,\vec{u}_\Delta</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion }}étant défini selon «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>», <math>\,\big[\overline{\Omega}(t)\,</math> étant la vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt}\;</math>», <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \alpha\;</math>»<math>\big]\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> soit finalement <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon }}«<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -C\;\alpha\; d \alpha\;</math>» correspondant à une différentielle de fonction <math>\Rightarrow</math> le <u>caractère conservatif du couple de torsion</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple"> Pour montrer qu’une force est conservative, on évalue son travail élémentaire en prenant un vecteur déplacement élémentaire quelconque <math>\,\overrightarrow{dM}\,</math> à partir du point d'application <math>\,M\,</math> de la force <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#2ème_définition_(équivalente)_d'une_force_«_conservative_»|2^ème définition (équivalente) d'une force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> ; <br>{{Al|3}}lorsqu'il s’agit d'un couple de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, il faut évaluer son travail élémentaire en envisageant une rotation élémentaire quelconque autour de n'importe quelle direction, le couple est alors conservatif si ce travail élémentaire est une différentielle de fonction mais <br>{{Al|3}}{{Transparent|lorsqu'il s'agit d'un couple }}dans le cas d’un couple de torsion de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, la seule direction autour de laquelle peut s’effectuer une rotation élémentaire est celle du fil c.-à-d. celle de <math>\,\vec{\Gamma}\,</math> et par suite la seule condition pour que le couple de torsion soit conservatif est que son travail élémentaire en considérant une rotation élémentaire autour de la direction du fil de torsion soit une différentielle de fonction ou encore que « le moment scalaire du couple de torsion par rapport au fil ne dépende que de l'angle de torsion <math>\,\alpha\;</math>» C.Q.E.R. <math>\,\big(</math>Ce Qui Est Réalisé<math>\big)</math>.</ref>. === Énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion === {{Al|5}}L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,U_{\text{tors}}\,</math> dont « dérive » le couple de torsion de vecteur moment <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}est définie par «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#1ère_définition_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|1^ère définition de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> c.-à-d. «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(\alpha)\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\,</math> ou <math>\,-C\;\alpha\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <math>\Leftrightarrow</math> «<math>\;\dfrac{dU_{\text{tors}}}{d \alpha} = C\;\alpha\;</math>» soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}en intégrant «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2 + cste\;</math>» ; choisissant la référence de l’énergie potentielle de torsion <math>\;U_{\text{tors}}(\alpha)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle"> C.-à-d. l'endroit où l'énergie potentielle est choisie nulle.</ref> <br>{{Al|7}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> en intégrant «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\alpha) = 2\; C\;\alpha^2 + cste}\;</math>» ; choisissant la référence }}quand le fil n’est pas tordu c.-à-d. <math>\,U_{\text{tors}}(0) = 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = 0</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}l'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d’un fil et sa conservation en absence de frottement === [[File:Pendule de torsion sans masselottes - actions exercées.png|thumb|500px|Schéma d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] représenté sans masselottes additives et avec fil inférieur sans torsion avec ajout des actions exercées sur la tige à l'instant <math>\;t</math>]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec un seul fil de torsion, l'autre fil étant sans torsion <math>\,\big(</math>voir schéma ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec un seul fil de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}la seule action extérieure de moment scalaire non nul par rapport à la direction <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}commune du fil de torsion et du fil sans torsion <math>\;\big(</math>orientée par le vecteur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> étant le couple « conservatif » de torsion <ref name="conservativité du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Caractère_conservatif_du_couple_de_torsion|caractère conservatif du couple de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}moment vectoriel «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}} = -C\;\alpha\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion /> auquel on associe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie potentielle de torsion du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre valant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;U_{\text{tors}}(t) =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion énergie potentielle de torsion }}<math>\,\dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_torsion_du_solide_relié_au_fil_de_torsion|énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}son énergie cinétique à la date <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{pend. tors.}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique }}<math>J_{CO_{\text{sup}}}\,</math> est le moment d'inertie du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] relativement à la <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique <math>\color{transparent}{J_{CO_{\text{sup}}}}\,</math> est }}direction du fil de torsion et du fil sans torsion <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à l'instant <math>\,t\,</math> selon «<math>\;E_m(t) = K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Propriétés_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|propriétés de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] (2^ème propriété) » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha_0 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\alpha(0) = \alpha_0\;</math> et <math>\,\dot{\alpha}(0) = 0\;</math>». [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]]]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige <math>\,\big(</math>voir photographie ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec deux fils de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}il y a deux actions extérieures s'exerçant sur le solide « tige + masselottes » de moment scalaire non nul par rapport à <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}la direction commune <math>\,\Delta_C\,</math> des deux fils de torsion <math>\,\big(</math>orientée par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}élémentaire du solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}prouve le <u>caractère conservatif du couple de torsion du fil supérieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}supérieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = -d U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta = -d U_{\text{tors. sup.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. sup.}}}{d \theta} = C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\,</math> qui s'intègre en <math>\,U_{\text{tors. sup.}}</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,= \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> et, en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. sup.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du solide à l'équilibre » c.-à-d. <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre"> Revoir l'explication rappelée dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans le chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil supérieur du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta_1 - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_1 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion"> Symboliquement l'énergie potentielle d'un solide dans le champ de torsion d'un fil de torsion s'obtient, à une constante additive près, par la moitié du produit de la constante de torsion du fil et du carré de l'angle de torsion, à l'instant <math>\;t</math>, du fil au point d'attache du solide.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation élémentaire du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\; \theta(t)\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et prouve le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<u>caractère conservatif du couple de torsion du fil inférieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}inférieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = -d U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\;\theta\;d \theta = -d U_{\text{tors. inf.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. inf.}}}{d \theta} = C\; \theta\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{tors. inf.}} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} + cste_2\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. inf.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position du solide à l'équilibre » c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil inférieur du solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2} + cste_2 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_2 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}finalement l'énergie potentielle globale de torsion du solide « tige + masselottes » <math>\,\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale }}s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = U_{\text{tors. sup.}}(\theta) + U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» ou, en simplifiant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale s'écrit }}«<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2\;</math>» <ref> En effet <math>\,\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + 2\;C\; \theta_1^{\,2} + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + C\; \theta_1^{\,2} = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2</math>.</ref>{{,}} <ref> Cette énergie potentielle de torsion du solide « tige + masselottes » est la même que celle que l'on obtiendrait avec un seul fil de torsion de constante de torsion <math>\,2\,C</math>, l'autre fil étant sans torsion avec la référence en la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>.</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule ci-dessus étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «<math>\;\color{transparent}{K_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#%Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torion par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique de l'ensemble tige + masselottes) » plus haut dans ce chapitre.</ref> avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule }}<math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion des deux fils définie, à l'instant <math>\,t\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie mécanique }}«<math>\;E_m(t) = K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}\! \left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\alpha\;</math>» dans le 1^er exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] ou <br>{{Al|57}}celui «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta - \theta_1 \right]^2 \,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du 2^ème exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|même]] paragraphe <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}étant parabolique, nous retrouvons la <u>2^ème définition d’un oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math>de rotation<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_(équivalente)_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition (équivalente) énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. <br>{{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> de son mouvement dans le 2^ème exemple du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}«<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2 = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>», <br>{{Al|58}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}les C.I. <ref name="C.I." /> étant «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}est donc une <u>ellipse décrite dans le sens horaire</u> <ref name="portrait de phase d'un socillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Tracé_du_portrait_de_phase_de_la_charge_du_condensateur_d'un_«_R_L_C_série_»_soumis_à_un_échelon_de_tension_suivant_le_cœfficient_d'amortissement|propriétés des portraits de phase de la charge du condensateur d'un RLC série soumis à un échelon de tension suivant le cœfficient d'amortissement]] (cas d'un circuit oscillant non amorti en vert) » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. == Conservation de l’énergie mécanique du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) dans le champ de pesanteur uniforme == === Énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant === {{Al|5}}Dans le cas d'un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref><math>\big)</math>, le poids du solide étant la seule action extérieure travaillant et ce dernier étant conservatif <ref name="poids d'un objet conservatif"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Établissement_du_caractère_«_conservatif_»_du_poids_d'un_point_matériel_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|établissement du caractère conservatif du poids d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, }}on lui associe l'énergie potentielle de pesanteur «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta)\;</math>» <ref name="énergie potentielle de pesanteur"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#«_Énergie_potentielle_de_pesanteur_d'un_point_matériel_»_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|énergie potentielle de pesanteur d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> déterminée en intégrant «<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = -dU_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> avec <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)\,</math> travail élémentaire du poids lors d'une rotation élémentaire d'angle <math>\,d \theta = \dot{\theta}(t)\;dt\,</math> autour de <math>\,\Delta_O\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe «<math>\;\color{transparent}{\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)}\,</math>}}<math>= \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;dt = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)\;dt = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;d \theta\;</math>» <ref name="travail élémentaire du poids du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (actions extérieures exercées sur le solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> d'où <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}<math>\,-dU_{\text{pes}} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\;d \theta\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{pes}}}{d \theta}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\,</math> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right) + cste\;</math>» <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}soit, en choisissant comme référence de l'énergie potentielle <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> « la position <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}d'équilibre stable de ce dernier <ref name="équilibre stable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessous de ce dernier.</ref> <math>\,\theta_{\text{éq. stable}} = 0\;</math>» d'où <math>\,U_{\text{pes}}(0) = 0\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}<math>\Rightarrow</math> <math>\,0 = -m\;g\;\mathfrak{a} + cste\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = m\;g\;\mathfrak{a}\,</math> d'où l'expression de <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}l'énergie potentielle de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> se réécrit selon <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta \right) \right]\;</math>» <ref> Pour trouver l'expression de l'énergie potentielle de pesanteur on peut aussi utiliser <math>\,\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = m\;g\;dz_G = -dU_{\text{pes}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{pes}} = -m\;g\;z_G + cste\,</math> sachant que <math>\,z_G = \mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right)\,</math> avec pour position d'équilibre stable <math>\,z_{G,\,\text{éq. stable}} = \mathfrak{a}</math> <math>\;\ldots</math></ref> <math>\,\big(</math>référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : la position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement === {{Al|5}}Considérant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A." /><math>\big)</math>, l'énergie potentielle de pesanteur étant «<math>\;U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right] = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\,</math> avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> <math>\,\theta_{\text{équi. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P."/> » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> et <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie cinétique du solide constituant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique du solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> dans laquelle <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie cinétique}}«<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du solide par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie mécanique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> dans le champ de pesanteur «<math>\;E_m\!(t) = K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) + U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right]</math> <br>{{Al|23}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie mécanique du P.P.N.A. dans le champ de pesanteur «<math>\;\color{transparent}{E_m\!(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{P.P.N.A.}}(t) + U_{\text{pes}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P..P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\,\left[ 1 - \cos(\theta) \right]\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}n'étant pas parabolique <math>\,\big(</math>mais sinusoïdal<math>\big)</math>, nous pouvons affirmer que <u>le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> n'est pas un oscillateur harmonique</u> <math>\,\big(</math>quand il est en situation d'osciller<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <math>\blacktriangleright\;</math>« oscillatoire pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'énergie mécanique initiale du P.P.N.A. vaut «<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^2 + m\;g\; \mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta_0 \right) \right]\;</math>».</ref> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. est }}<math>\blacktriangleright\;</math>« révolutive pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="étude du mouvement d'un P.P.N.A. par diagramme d'énergies"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Étude_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_dans_le_cas_général_des_élongations_angulaires_non_petites_par_diagramme_énergétique|étude du mouvement du P.P.(N.A.) dans le cas général des élongations angulaires non petites par diagramme énergétique]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}de démontrer, avec utilisation simultanée de l'intégrale 1^ère énergétique <ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'intégrale 1^ère énergétique du P.P.N.A. s'écrit «<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^{\,2} + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet de démontrer, }}la nature « périodique <math>\,\big(</math>oscillatoire ou révolutive<math>\big)\;</math>» ainsi que <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}d’établir l’expression de la période sous forme intégrale <math>\ldots</math> {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Les [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d’un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ayant pour équation implicite l’intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\;</math><ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" /> de son mouvement lequel dépend de la valeur de l'énergie mécanique initiale <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />, <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. }}diffèrent suivant <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="différents portraits de phase d'un P.P.N.A."> Voir les paragraphes « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Tracé_des_portraits_de_phase_dans_le_cas_général_«_d'oscillations_ou_de_mouvement_révolutif_»_d'un_P.P.S._lancé_dans_les_C.I._«_1b_U_1a_»|tracé des portraits de phase dans le cas général d'oscillations ou de mouvement révolutif d'un P.P.S. lancé dans les C.I. 1b U 1a]] » du chap.<math>12</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\,\big(</math>l'allure des [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti étant la même que ceux d'un [[w:Pendule_simple|pendule simple]] non amorti<math>\big)\,</math> et « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Différents_portraits_de_phase_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté),_«_bifurcation_»_entre_mouvement_«_pendulaire_»_et_révolutif|différents portraits de phase du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté), bifurcation entre mouvement pendulaire et révolutif]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>pendulaire</u> <ref name="pendulaire"> Adjectif synonyme d'« oscillatoire ».</ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>fermé</u>, décrit dans le « <u>sens horaire</u> » <ref name="justification du sens horaire"> Ou « trigonométrique indirect », en effet « quand <math>\,\dot{\theta}\,</math> est <math>\,> 0</math>, <math>\,\theta \nearrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \nearrow\,</math> puis <math>\,\searrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule » ensuite «<math>\;\dot{\theta}\,</math> est <math>\,< 0</math>, correspondant à <math>\,\theta \searrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \searrow\,</math> puis <math>\,\nearrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule de nouveau » <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}avec le point «<math>\;\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)\;</math>» comme « <u>centre de </u>{{Nobr|<u>symétrie</u> » <ref name="justification du centre de symétrie"> Invariance de l’équation en changeant «<math>\;\theta\,</math> en <math>\,-\theta\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des vitesses angulaires <math>\,\big(</math>en fait antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>» et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Invariance de l’équation }}en changeant «<math>\;\dot{\theta}\,</math> en <math>\,-\dot{\theta}\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des abscisses angulaires <math>\,\big(</math>là encore c'est une antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|3}}l’association des deux symétries axiales <math>\,\big(</math>ou plutôt des deux antisymétries axiales<math>\big)\,</math> donnant un centre de symétrie pour l'intersection des deux axes <math>\,\big[</math>le point d'intersection des deux axes étant réellement une symétrie centrale <math>\,\big(</math>et non une antisymétrie centrale<math>\big)</math>.</ref>}} <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, avec le point «<math>\;\color{transparent}{\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)}\;</math>» }}correspondant à la position d’équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /> du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ; <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> }}<math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>révolutif</u>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>ouvert</u>, constitué de la <u>répétition du motif de l'intervalle</u><math>\;\left] -\pi\, , \, \pi \right]</math>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase }}répété <math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \nearrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} > 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 > 0\;</math>» ou <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase répété }}<math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \searrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} < 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 < 0\;</math>», <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)\;</math>» et celui avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,-\dot{\theta}_0 > 0 \right)\;</math>» <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, le portrait de phase avec C.I. «<math>\;\color{transparent}{\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)}\;</math>» }}étant <u>antisymétriques</u> l'un de l'autre, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>maxima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre stable</u> <ref name="équilibre stable du P.P." /> «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres stables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» ;<br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}\;</math>»<math>\big)\;</math> alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big)</math>.</ref> et <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>minima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre instable</u> <ref name="équilibre instable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessus de ce dernier.</ref> «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;</math> <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, les minima de<math>\;\color{transparent}{\vert \dot{\theta} \vert}\;</math>obtenus pour les positions d’équilibre instable «<math>\;\color{transparent}{\theta_{\text{éq. inst.}} =}</math> }}<math>\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres instables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = -\left( 2\;p' + 1 \right)\, \pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big[</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big]\;</math>.</ref>. == « Généralisation » à tout « solide » : « théorème de la variation de l’énergie mécanique » et la forme locale associée « le théorème de la puissance mécanique », application au cas d’un solide amorti == {{Al|5}}Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à la généralisation à tout système de points matériels ou continu de matière « indéformable » <ref name="solide au sens de la mécanique" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à }}la généralisation aux systèmes de points matériels ou continus de matière « déformables » sera faite dans le chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Lois_de_l'énergie_cinétique_pour_un_système_déformable_de_points_matériels#«_En_complément_»,_théorème_de_la_variation_de_l’énergie_mécanique_appliqué_à_un_système_de_matière_déformable_dans_le_champ_des_forces_extérieures_et_intérieures_conservatives_et_sa_forme_locale_«_le_théorème_de_la_puissance_mécanique_»|en complément : théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un système de matière déformable dans le champ des forces extérieures et intérieures conservatives et sa forme locale le théorème de la puissance mécanique]] » du chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. === Théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s’écrivant «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\bullet\;</math>celles qui sont conservatives <math>\,\big(</math>lesquelles « dérivent » d’une énergie potentielle<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{ransparent}{\bullet}\;</math>}}dont le travail pendant cette durée finie est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées }}<math>\bullet\;</math>celles qui sont non conservatives <ref name="non conservatives"> Ou, si elles sont conservatives, dont on ne considère pas le caractère « conservatif ».</ref> dont le travail pendant cette durée finie <br>{{Al|12}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>celles qui sont non conservatives dont }}est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}d'où «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou, avec «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, }}<math>\big(U_{\text{ext}}\,</math> étant l'énergie potentielle dont dérivent les forces conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, <math>\color{ransparent}{\big(}</math>}}définie à une constante additive près précisée par choix de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}<math>\Rightarrow</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» d’où la réécriture du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « solide <math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\left( \mathcal{S} \right)} + U_{\text{ext}} \right] = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» où on reconnaît dans le 1^er membre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}la variation de l’énergie mécanique «<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t) + U_{\text{ext}}\!(t)\;</math>» du solide «<math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le champ des forces conservatives sur la durée <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> dans le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où dans le champ des forces conservatives }}référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen d'où, finalement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}le lien entre la variation de l'énergie mécanique du « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;\Delta E_m = E_{m,\,\mathcal{F}} - E_{m,\,\mathcal{I}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» le lien }}le travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> sur cette même durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}«<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» applicable à un solide dans un référentiel d’étude galiléen, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}l'énoncé du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie dans un référentiel galiléen <ref> Ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. sous la forme où il existe des forces extérieures non conservatives dissipatives mais, comme le cas où toutes les forces extérieures travaillant sont conservatives est clairement explicité <math>\,\big(</math>sous la forme de la conservation de l’énergie mécanique du solide<math>\big)</math>, le cas où il existe des forces extérieures travaillant et non conservatives <math>\,\big(</math>comme des forces de frottement<math>\big)\,</math> s’appliquant à un solide peut difficilement être ignoré d'où l'ajout du théorème sous sa forme la plus générale <math>\;\ldots</math></ref>. : {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}<math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <math>\,K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation «<math>\;\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» }}égale au travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale au travail }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire dans un référentiel galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique }}se déduit aisément de sa forme sur une durée finie soit {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}conservatives <math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}<math>K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> <math>\color{transarent}{K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)}\,</math> l'énergie cinétique }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation élementaire«<math>\;d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t)\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» }}égale au travail élémentaire des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» égale au travail }}appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;d E_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide }}est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée finie ou élémentaire se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>». === Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de la puissance mécanique est la forme locale associée à la forme intégrée <ref name="forme intégrée de forme locale" /> “ théorème de la variation de l'énergie mécanique sur une durée finie ou élémentaire ” ; {{Al|5}}pour obtenir cette forme locale on écrit le théorème de la variation de l’énergie mécanique d’un solide dans le champ des forces extérieures conservatives entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math><ref> C.-à-d. la forme élémentaire du théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un solide.</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on écrit }}«<math>\;dE_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\,</math> dans un référentiel galiléen » puis, <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on divise les deux membres par <math>\,dt\,</math> soit «<math>\;\dfrac{dE_m}{dt} = \dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{dE_m}{dt}\;</math>» est la dérivée temporelle de l’énergie mécanique du solide dans le champ des forces extérieures conservatives définissant <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}la puissance mécanique du solide à l'instant <math>\,t\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives, notée «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» la puissance instantanée développée, à l'instant <math>\,t</math>, par les forces extérieures non conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}appliquées au solide notée «<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on obtient «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» d'où l'énoncé du théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen : {{Théorème|titre=Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide »|contenu = {{Al|5}}La puissance mécanique à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> <math>\big[</math>avec, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie mécanique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{ext}}(t)}\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces }}conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math>» l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique }}est égale à la puissance instantanée développée par les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique est égale à }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> au même instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide à un instant <math>\,t\,</math> quelconque se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}c.-à-d., après intégration, « la conservation de l’énergie mécanique du solide précédemment défini ». === Application au cas d’un solide amorti === {{Al|5}}Parmi les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées à un solide et travaillant, « les plus fréquentes sont dissipatives » <ref> Mais elles peuvent aussi être motrices par exemple, si nous souhaitons que les oscillations d’un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ou d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] perdurent alors qu’existent naturellement des frottements {{Nobr|<math>\,\big(</math>même}} minimes<math>\big)</math>, il est nécessaire de les entretenir à l’aide d’une force extérieure motrice compensant les forces de frottement, cette force motrice étant alors usuellement non conservative tout comme le sont les forces de frottement.</ref> comme les forces de frottement fluide <math>\,\big(</math>ou solide<math>\big)</math> ; {{Al|5}}si les seules forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> travaillant sont des forces de frottement s'exerçant sur un solide en mouvement dans un référentiel galiléen, <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces }}conservatives <ref name="théorème de la puissance mécanique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_la_puissance_mécanique_appliqué_à_un_«_solide_»|théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}s’écrivant «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{frott}}\!(t) < 0\;</math>» dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}l'énergie mécanique de ce solide «<math>\;E_m(t) \searrow\,</math> au sens strict » avec <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}</math> <math>\big(</math>il est qualifié d'« amorti »<math>\big)</math>. ==== Cas particulier du pendule de torsion amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] dont la photographie est dans un « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|paragraphe plus haut dans ce chapitre]] » mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}avec les masselottes remplacées par des ailettes comme présenté dans le schéma de vue de dessus de la « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|remarque du paragraphe précité]] », <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d'un fil et sa conservation en absence de frotemment]] (2^ème exemple) » plus haut dans ce chapitre dans lequel <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> doit être remplacée par <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})</math>.</ref> dans le référentiel <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « }}<math>\big\{</math>avec <math>\,U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> la position d'équilibre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « <math>\color{transparent}{\big\{}</math>avec <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2}\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence }}du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}on en déduit la puissance mécanique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;\dot{E}_m(t) = J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + 2\;C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]\,\dot{\theta}(t)\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}la puissance du couple de frottement fluide linéaire <math>\,\big(</math>seules forces extérieures non conservatives travaillant de moment scalaire par rapport à l'axe de rotation du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion la puissance du couple de frottement fluide linéaire <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>}}<math>\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion" />, <math>\,H\,</math> étant une constante positive <ref> Exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frottent les ailettes.</ref><math>\big)\,</math> <br>{{Al|6}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion la puissance du couple de frottement fluide linéaire }}agissant sur les ailettes du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étant «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] (remarque : actions extérieures exercées sur l'ensemble “ tige et ailettes ”) » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}le théorème de la puissance mécanique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» ou <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» ou encore, <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + 2\;C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]\,\dot{\theta}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}après simplication par <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> non identiquement nulle <ref name="hors position d'équilibre" /> et normalisation <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <ref> Identique à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Identique }}à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] (2^ème exemple où les masselottes sont remplacées par des ailettes) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <center>«<math>\;\ddot{\theta}(t) + + \dfrac{H}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta_1\;</math>».</center> ==== Cas particulier du pendule pesant à un degré de liberté amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] à un degré de liberté dont le schéma est dans un « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|paragraphe plus haut dans le chapitre]] » dans lequel <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}des frottements fluides linéaires agissent sur le [[w:Pendule_pesant|pendule]] comme présentées dans le schéma de la « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|remarque du paragraphe précité]] », <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}l'énergie mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frotemment]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> dans le référentiel <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté l'énergie mécanique du P.P.A. étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « }}<math>\big\{</math>avec <math>\,U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\,</math> l'énergie potentielle de pesanteur <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté l'énergie mécanique du P.P.A. étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « <math>\color{transparent}{\big\{}</math>}}la position d'équilibre stable du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> <math>\,\theta_{\text{équi. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P."/><math>\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}on en déduit la puissance mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." />, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;\dot{E}_m(t) = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \sin\! \left[ \theta(t) \right]\,\dot{\theta}(t)\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}la puissance des forces de frottement fluide linéaire <math>\,\big(</math>seules forces extérieures non conservatives travaillant de moment scalaire par rapport à l'axe de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté la puissance des forces de frottement fluide linéaire <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>}}rotation du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] <math>\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_O}(t) = -H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="moment scalaire des forces de frottement fluide sur pendule pesant"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <math>\,H\,</math> étant une constante positive <ref> Exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]], de la forme de celui-ci par rapport à l'axe et du fluide sur lequel il frotte.</ref><math>\big)\,</math> <br>{{Al|6}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté la puissance des forces de frottement fluide linéaire }}agissant sur le [[w:Pendule_pesant|pendule]] étant «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_O}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (remarque : actions extérieures exercées sur le solide du pendule) » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» ou <br>{{Al|18}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» ou encore, <br>{{Al|18}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \sin\! \left[ \theta(t) \right]\,\dot{\theta}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou <br>{{Al|18}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}après simplication par <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> non identiquement nulle <ref name="hors position d'équilibre" /> et normalisation <br>{{Al|18}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] amorti <ref> Identique à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Identique }}à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (remarque établissement de l'équation différentielle du P.P.A.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|18}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + + \dfrac{H}{J_{\Delta_O}}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>». == Notes et références == <references /> {{Bas de page | idfaculté = physique | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie|Approche énergét. du mouv. d'un sol. en rotat. autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels|Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels]] }} 76iq8ggp8pfh33mhylcskldpsaapti0 987954 987953 2026-11-01T04:08:04Z Phl7605 31541 /* Cas particulier du pendule pesant à un degré de liberté amorti par frottement fluide linéaire */ 987954 wikitext text/x-wiki {{Chapitre | idfaculté = physique | numéro = 12 | niveau = 14 | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie/]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels/]] }} <center>Ce chapitre est traité dans le cadre de la dynamique newtonienne avec ajout de quelques éléments de dynamique relativiste.</center> == Théorème de l'énergie cinétique d’un système de matière, cas d’un solide en rotation autour d’un axe fixe == {{Al|5}}Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}est évidemment à connaître comme forme intégrée de la forme locale <ref name="forme intégrée de forme locale"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Lois_de_la_puissance_et_de_l'énergie_cinétiques#Différence_entre_«_forme_locale_de_la_dynamique_»_et_«_forme_intégrée_associée_à_cette_forme_locale_»|différence entre forme locale de la dynamique et forme intégrée associée à cette forme locale]] » du chap.<math>15</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> « théorème de la puissance <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}cinétique d'un système de matière » laquelle est inscrite explicitement dans le programme <math>\;\ldots</math> === Définition du travail du système des forces extérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque"> Par « système de matière quelconque » il faut entendre « système fermé discret de points matériels ou continu de matière » « déformable ou non ».</ref> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1"> A priori <math>\,N\,</math> pourrait être égal à <math>\,1\,</math> mais ce ne serait plus un système de points matériels mais un simple point matériel.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes"> C.-à-d. l’ensemble des paramètres de position et de vitesse de tous les points à l'instant de définition de l'état, tous ces paramètres permettant d’y décrire le système.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> entre }}l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Expression_du_travail_élémentaire_de_la_force_dont_le_point_d’application_subit_le_vecteur_déplacement_élémentaire_correspondant_à_la_durée_élémentaire_de_développement_de_sa_puissance|expression du travail élémentaire de la force dont le point d'application subit le vecteur déplacement élémentaire correspondant à la durée élémentaire de développement de sa puissance]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - bis"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="infiniment proches"> Instants infiniment proches.</ref>, son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité volumique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance volumique <math>\,\mathcal{P}_{\text{vol},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t)</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité surfacique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance surfacique <math>\,\mathcal{P}_{\text{surf},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) =</math>}} <math>\sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité linéique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance linéique <math>\,\mathcal{P}_{\text{lin},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right] dt\;</math>».</ref>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« chaque point <math>\,\color{transparent}{M_i}\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> entre «<math>\;\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\;</math>» }}son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\,</math> étant aussi tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces extérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces extérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" />. === Définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est également présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2"> Pour l'existence de forces intérieures appliquées à un système, <math>\,N\,</math> doit être évidemment <math>\,\geqslant\,</math> à <math>\,2</math>.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes" /> et l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" /> sachant que <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir }}le système des forces intérieures s'exerçant sur le système discret fermé de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le système des forces intérieures }}est défini comme « l'ensemble des forces <math>\,\vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t)\,</math> que chaque point <math>\,M_j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, exerce sur chaque point <math>\,M_i,\;\;i \neq j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math>» <ref name="système de forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Forces,_principe_des_actions_réciproques#Système_des_forces_intérieures_s’exerçant_sur_un_système_de_points_matériels_fermé|système des forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math> entre les instants <math>\;t\;</math> et <math>\;t + dt\;</math> selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i} \right]\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - ter"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> dans lequel, chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \mu(M')\;d \mathcal{V}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bivolumique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}}{d \mathcal{V}_{M'}\;d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \sigma(M')\;d S_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\;</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bisurfacique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}}{d S_{M'}\;d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \lambda(M')\;d \mathit{l}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\;\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bilinéique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}}{d \mathit{l}_{M'}\;d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace dt\;</math>».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces intérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces intérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière" />. {{Al|5}}<u>Remarque 1</u> : Le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures }}peut aussi être défini à partir de la puissance instantanée développée par les forces intérieures s’exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="définition de la puissance développée par les forces intérieures"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Définition_2|définition]] (de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures peut aussi être défini }}selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - tetra"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : }}le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}s'obtenant en ajoutant tous les travaux élémentaires de <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}peut se calculer à partir de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> peut se calculer }}par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>». {{Al|5}}<u>Remarque 2</u> : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math><ref name="définition du référentiel Rj"> Le référentiel «<math>\;\mathcal{R}_j\;</math>» est le référentiel lié à <math>\,M_j\,</math> en translation par rapport au référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#cite_note-puissance_des_forces_intérieures_s'exerçant_sur_système_continu_de_matière_-_ter-55|⁵⁵]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> dans le référentiel <math>\,\color{transparent}{\mathcal{R}}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}_{\text{int}}(t)}</math> }}<math>= \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Autres_expressions_équivalentes|autres expressions équivalentes]] de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj"> Le point <math>\,M_i\,</math> décrivant dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_j</math> <math>\,\big[</math>lié à <math>\,M_j\,</math> et en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\big]\,</math> une trajectoire particulière <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}\;</math> entre les deux instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t)\big]\,</math> étant tangent à <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}</math>.</ref> ou <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures «}}<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right]\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : }}de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière" />{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" />{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" />. {{Al|5}}<u>Remarque 3</u> : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nulle <ref name="puissance des forces intérieures en général non nulle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (1^ère conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu"> Système discret de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique"> Le système se comporte donc comme un solide au sens de la mécanique.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures nulle pour un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (3^ème conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = 0\;\;\forall\;t\,</math> pour <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = 0\;\;\forall\;\left[ t\,,\,t + dt \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> le devient }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = 0\;\;\forall\;\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> ». === Théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Partant du théorème de la puissance cinétique appliqué, à l'instant <math>\,t</math>, à un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Énoncé|énoncé]] du théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> dans lequel <math>\,\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math> est la puissance cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{ext}}(t)\,</math> la puissance développée par les forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\,</math> celle développée par les forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la même date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on multiplie par <math>\,dt\,</math> pour obtenir la forme élémentaire du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir la forme élémentaire }}entre «<math>\;t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\;</math>» où <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> est la variation élémentaire d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{ext}}\,</math> le travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{int}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur le même <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on intègre entre <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique }}entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec <math>\,\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\,</math> variation d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\,</math> }}sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> le travail des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> le travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> celui des forces intérieures }}sur le même <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>. {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> étant nul quel que soit le mouvement du système » <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Définition_du_travail_du_système_des_forces_intérieures_appliquées_à_un_«_système_de_matière_»_entre_un_état_initial_et_un_état_final|définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un système de matière entre un état initial et un état final]] (remarque 3) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul }}<math>\Rightarrow</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide sous sa forme élémentaire ou <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide }}sur une durée finie : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière en translation » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière"> Système fermé discret fermé de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> en translation » <ref name="système en translation"> Un « système de matière en translation » ne se déformant pas peut aussi être qualifié de « solide » au sens de la mécanique.</ref>, tous les points ont le même vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> égal à celui du C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> <math>\,G\,</math> du système, d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\!G}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <ref name="signification du travail élémentaire développé par les forces extérieures appliquées à un système en translation"> Dans cette 3^ème expression «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» est aussi « le travail élémentaire qui serait développé, sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\,t + dt \right],</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>, par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans <math>\,\mathcal{R}\;</math>» <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», ce dernier s'obtenant par application du théorème du mouvement du C.D.I. <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Principe_fondamental_de_la_dynamique_et_théorème_de_la_résultante_cinétique#Énoncé_du_théorème_(dynamique_newtonienne)|énoncé du théorème (dynamique newtonienne)]] du mouvement du C.D.I. d'un système » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> correspondant aussi à l'application de la r.f.d.n. <math>\,\big(</math>relation fondamentale de la dynamique newtonienne<math>\big)\,</math> au point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>» sur lequel s'exercerait la résultante dynamique<math>\big\}</math>.</ref> dans laquelle «<math>\;\vec{F}_{\text{ext}}(t)\;</math> est la résultante <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}«}}dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» <ref> Voir les paragraphes « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_en_translation_»|cas d'un système de matière en translation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » et « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissancce développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces intérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{int},\,\text{syst. en transl.}} = 0\;</math>» <ref name="système en translation" />{{,}} <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>de la variation élémentaire de l'énergie cinétique du système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en transl.}}\;</math>» avec «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="signification de l'énergie cinétique d'un système en translation"> Dans cette 2^ème expression «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» est aussi « l'énergie cinétique newtonienne du point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans {{Nobr|<math>\,\mathcal{R}\,</math>»}} <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», tous les points du système en translation ayant même vitesse que le C.D.I. <math>\,G\big\}</math>.</ref> l'énergie cinétique <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, dans le cadre de la cinétique newtonienne <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en translation"> Voir le paragraphe « énergie cinétique dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Cas_d'un_système_en_translation|cas d'un système en translation]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique }}appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" />{{, }} <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque dans un référentiel galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> nous obtenons : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un référentiel <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière en translation <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> étant le C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> et <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =}</math> }}la résultante dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\,</math> ou <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste"> Applicable sous cette forme dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste.</ref> avec <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="système fermé de matière" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système en translation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =</math> <math>K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail effectué par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail effectué par la résultante dynamique }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <br>{{Al|208}}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Ce théorème <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais il doit bien sûr être connu <ref> Sans doute ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. car on considère usuellement un système de matière en translation comme un point matériel <math>\,\big(</math>le C.D.I. <math>\,G\,</math> du système<math>\big)\,</math> sur lequel s'exerce la résultante dynamique du système et, selon ce point de vue, le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un système de matière en translation n'est rien d'autre que le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un point matériel, lequel est, quant à lui, au programme <math>\;\ldots</math></ref>. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}<u>Préliminaire</u> : Un « système <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » peut, a priori, se déformer <ref name="système en rotation autour d'un axe"> Par exemple, en se dilatant, c.-à-d. que chaque point du système, en plus de sa rotation autour d'un axe fixe, s'éloigne radialement de cet axe <math>\,\big(</math>la vitesse d'éloignement pouvant être différente d'un point à un autre<math>\big)\,</math> mais dans ce cas il ne s'agit pas d'une rotation « pure » <math>\;\ldots</math> <br>{{Al|3}}Pour maintenir une même vitesse angulaire à un instant <math>\,t\,</math> pour tous les points d'un « système déformable », il faut que le mouvement orthoradial de chacun des points soit corrélé au mouvement radial correspondant, avec absence de mouvement axial, c.-à-d. que, pour deux points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> tels que la droite <math>\,M_iM_j\,</math> recoupe l'axe <math>\,\Delta\,</math> perpendiculairement en <math>\,H_{i,\,j}</math>, <math>\,\big[</math>les points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> ayant donc même abscisse angulaire <math>\,\theta_{i,\,j}(t)\big]\,</math> on ait <math>\,\dot{\theta}_{i,\,j}(t) = \overline{\Omega}(t)</math> <math>\,\big[</math>donc indépendant de <math>\,\left( i\,,\, j \right)\big]\,</math> pour tout instant <math>\,t\,</math> et pour tout couple <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> dont les éléments ont même abscisse angulaire, ces conditions étant très contraignantes sont quasiment jamais réalisées naturellement <math>\;\ldots</math></ref>, toutefois, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Préliminaire : un « système <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>fermé<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » }}il est, en pratique, indéformable et est alors qualifié de « solide » au sens de la mécanique ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Préliminaire : }}l’exposé ci-dessous s'applique à un système discret <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de points matériels ou un système continu <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}<u>Exposé</u> : Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière" /> indéformable, en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe <math>\,\Delta</math>, fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen », <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}tous les points ont le même vecteur rotation instantanée <math>\,\vec{\Omega}(t) = \overline{\Omega}(t)\;\vec{u}_{\Delta}\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\big[\vec{u}_{\Delta}\,</math> étant le vecteur unitaire orientant l'axe de rotation <math>\,\Delta\,</math> et <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\big[}</math>}}autour de cet axe de rotation <math>\,\Delta\big]\,</math> d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe"> Expression ne nécessitant pas que l'axe <math>\,\Delta\,</math> soit fixe, la fixité de l'axe dans un référentiel intervenant quand ce dernier est galiléen et quand on utilise l'un des théorèmes fondamentaux de la dynamique de rotation des systèmes <math>\,\big\{</math>par exemple le théorème de l'énergie cinétique établi dans ce paragraphe mais le traavail élémentaire déveeloppé par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» ne nécessite pas que <math>\,\Delta\,</math> soit fixe<math>\big\}</math>.</ref>{{,}} <ref name="travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur un système en rotation"> Voir le paragraphe « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> {{Nobr|«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)</math>}} <math>= \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;</math>» et le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\delta W\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right] = \mathcal{P}\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right]\;dt\;</math>» puis, en faisant la somme membre à membre de façon à définir le travail élémentaire du sytème des forces extérieures s'exerçant sur le système en rotation «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)\;dt\;</math>».</ref> où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> est le moment <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» ou, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>du travail élémentaire }}avec «<math>\;\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta\;</math>» dans lequel <math>\,\theta(t)\,</math> est l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, la réécriture <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>,«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>de la variation de l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}}\;</math>» avec, l'énergie cinétique, à l'instant <math>\,t</math>, de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le cadre de la cinétique newtonienne «<math>\;K_{\text{syst. en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en rotation autour d'un axe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d’un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d’un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> avec «<math>\;J_\Delta\,</math> le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}relativement à <math>\,\Delta\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe"> Voir la notion de moment d'inertie d'un système discret ou continu dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Application_à_un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe#Application_au_cas_d'un_«_système_fermé_de_matière_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe_«_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|application d'un système fermé de matière en rotation autour d'un axe Δ fixe quelconque dans un référentiel d'étuide galiléen]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> d'où, en cinétique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> appliqué à un solide <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_solide_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d'un système }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> avec «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» et «<math>\;\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <math>\,\overline{\Omega}(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}<math>= \dot{\theta}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> encore égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>avec <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> et <math>\,\theta(t)\,</math> l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" />, sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail du moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail du }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[\theta(t)\,</math> étant l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation est égale au travail du «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[\theta}\,</math> étant l'abscisse angulaire }}à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> étant le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = 2\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)}\;</math>» <math>\,\big[</math>}}<math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] <math>\,\big(</math>photographié ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_(non_amorti)|mise en équation différentielle du mouvement du pendule de torsion (non amorti)]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Théorème_de_la_puissance_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_autour_d'un_axe_Δ_fixe_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe dans un référentiel d'étude galiléen]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. {{Al|5}}Ci-contre le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec deux fils de torsion identiques de même constante de torsion «<math>\;C\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec }}positions de masselottes identiques <math>\,\big(</math>sauf pour la couleur<math>\big)\,</math> de part et d'autre du point <math>\,C\,</math><ref name="distinction entre point d'attache des fils sur la tige et constante de torsion des fils"> On accepte la même notation pour le point d'attache des deux fils sur la tige et la constante de torsion de ces derniers tant qu'il n'y a pas d'ambiguïté <math>\,\big(</math>ce qui ne devrait jamais arriver compte-tenu du fait que ces deux grandeurs sont de nature différente<math>\big)</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec positions de masselottes identiques }}<math>\,\big(C\,</math> point d’attache des deux fils de torsion sur la tige<math>\big)</math> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre <math>\,\big(</math>en absence de masselottes<math>\big)\,</math> diffère du « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] » de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici l'extrémité supérieure <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil de torsion supérieur est mobile au lieu d'être fixe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur étant dans les deux fixe et <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici la torsion initiale est fournie par rotation propre de <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> d'un angle «<math>\;2\,\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>repéré sur le cercle gradué lié à <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}</math>, position de référence du cercle gradué<math>\big)\,</math> <math>\Rightarrow</math> en pratique, après quelques oscillations, la tige <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}acquiert la position d'équilibre repérée par l'angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>voir vérification ci-dessous<math>\big)\,</math> alors que <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] la torsion initiale est fournie par rotation de la tige d'un angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>également repéré <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>dans le pendule du chap.7 }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}\big)</math>, la position d'équilibre de la tige étant repérée par l'angle nul ; {{Al|5}}<u>vérification de la position d'équilibre de la tige dans le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}orientant les deux fils de torsion du bas vers le haut, quand la tige acquiert la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion supérieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche"> Une hélice est « droite » si le point tourne sur la gauche <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique direct ou encore dans le sens antihoraire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée et <br>{{Al|31}}elle est « gauche » si le point tourne sur la droite <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique indirect ou encore dans le sens horaire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée <br>{{Al|3}}<math>\,\big[</math>revoir aussi la distinction « hélices gauche ou droite » dans le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Mouvement_de_particules_chargées_dans_des_champs_électrique_et_magnétique_:_Cas_particulier_d'un_champ_magnétostatique_uniforme#Nature_hélicoïdale_uniforme_du_mouvement_de_la_particule|nature hélicoïdale uniforme du mouvement de la particule]] » du chap.<math>24</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> d'un angle «<math>\;\theta_1 - 2\;\theta_1 = -\theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil"> L'angle de torsion du fil qui intervient dans le vecteur moment du couple de torsion est l'angle que fait l'extrémité mobile relativement à l'extrémité maintenue fixe même si cette extrémité est fixée avec torsion initiale comme c'est le cas pour le fil supérieur <math>\,\big\{</math>on peut vérifier que cette définition correspond bien au schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » car {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{A_0B_0}\;</math>»}} est lié à l'extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil supérieur et «<math>\;\overrightarrow{AB}\;</math>» à l’extrémité mobile <math>\,C\,</math> et il en est de même pour l'éventuel fil de torsion inférieur<math>\big\}</math>.</ref> par rapport à son extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion supérieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} = -C \left( -\theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion inférieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche" /> d’un angle «<math>\;\theta_1 - 0 = \theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil" /> par rapport à l’extrémité <math>\;O_{\text{inf}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion inférieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = -C \left( \theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = -C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur la tige vérifiant «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} + \vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = \vec{0}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur }}la tige est effectivement en équilibre dans cette position <math>\;\ldots</math> {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <math>\,\big\{</math>ensemble solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC"> L'axe <math>\,\Delta_C\,</math> est le support des fils de torsion.</ref> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemb}}le solide étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles"> Repérée par rapport à la position de l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemble solide étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des masselottes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des masselottes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des masselottes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur"> L'angle de torsion du fil supérieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 2\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation"> Il s'agit de l'application de la puissance instantanée développée par un système de forces extérieures sur un solide en rotation autour d'un axe fixe <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d'un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> quand le système de forces extérieures est équivalent à un couple <math>\,\big[</math>c.-à-d. un système dont la résultante est nulle et dont le moment résultant scalaire relativement à l'axe de rotation définit le moment scalaire du couple<math>\big]</math>.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur"> L'angle de torsion du fil inférieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 0 = \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cin%C3%A9tique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d'un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;</math> est le moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et masselottes » en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_C\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre"> Ce qui suppose que <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> est non identiquement nulle <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\theta(t)\,</math> n'est pas une constante c.-à-d. que le solide n'est pas à sa position d'équilibre.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à droite «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta_1\;</math>», équation différentielle linéaire <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants sans terme du 1^er ordre hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_non_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition non énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] », la présence d'un 2^nd membre constant signifiant que le paramètre caractérisant l'oscillateur dans l'espace n'est pas nul à l'équilibre.</ref> de rotation ; {{Al|5}}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Conséquence_«_le_pendule_de_torsion_(non_amorti)_est_un_oscillateur_harmonique_non_amorti_de_rotation_»|conséquence : le pendule de torsion (non amorti) est un oscillateur harmonique non amorti de rotation]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » ; [[File:Pendule de torsion amorti - vue de dessus.png|thumb|300px|Vue de dessus d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti par substitution d'ailettes planes aux masselottes fixées sur la tige <math>\,\big(</math>les fils de torsion supérieur et inférieur <math>\,\perp\,</math> au plan de la figure ne peuvent y être représentés<math>\big)</math>]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> du }}<math>\big(</math>voir vue de dessus partielle représentée ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre étant écarté initialement comme celui de début de paragraphe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, le pendule ci-contre étant écarté initialement }}la tige acquiert donc une position d'équilibre repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}l'ensemble « tige et ailettes » étant un solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC" /> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant }}le solide est, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant le solide est, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}les actions extérieures sont <math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des ailettes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{ailettte}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des ailettes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des ailettes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{ailette}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu dans lequel se déplace le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] exercent sur les ailettes, modélisées par un <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> }}couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Couple_de_frottement_fluide_linéaire_agissant_sur_le_pendule_par_l’intermédiaire_des_ailettes|couple de frottement fluide linéaire agissant sur le pendule par l'intermédiaire des ailettes]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple }}<math>\big[H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}et du fluide sur lequel frottent les ailettes<math>\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide la puissance instantanée }}selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\,</math> est le moment d'inertie du solide « tige + ailettes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et ailettes » en rotation autour de <math>\,\Delta_C\,</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t) - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t) - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1 - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étudié «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta_1\;</math>», équation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}différentielle linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique" /> de rotation ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Loi_horaire_de_position_angulaire_du_pendule_de_torsion_amorti|loi horaire de position angulaire du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ». == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule pesant non amorti à un degré de liberté - forces extérieures.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté <math>\,\big(</math>schématisé ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_non_amorti_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_du_moment_cinétique_scalaire|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant non amorti (à un degré de liberté) par application du théorème du moment cinétique scalaire]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />. {{Al|5}}Ci-contre schéma de face du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] idéale <ref name="liaison idéale"> C.-à-d. dans laquelle on peut négliger les frottements solides.</ref> du solide en rotation autour de l’axe horizontal <math>\,\Delta_O\;</math><ref name="liaison pivot du pendule"> Pour plus de détails voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Présentation_du_pendule_pesant_(non_amorti)_«_P.P.(N.A.)_»|présentation du pendule pesant (non amorti) P.P.(N.A.)]] (liaison pivot avec le point O) » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Non Amorti.</ref> à un degré de liberté ayant un mouvement de rotation imposé par la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] du solide avec l'axe <math>\,\Delta_O</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté }}son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,O</math>, d'axe <math>\,\Delta_O\,</math> orienté par le vecteur unitaire «<math>\;\vec{u}_{\Delta_O}\;</math>» et <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,\color{transparent}{O}</math>, }}de rayon «<math>\;\mathfrak{a}\;</math>» avec, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. }}<math>G\,</math> repéré par son abscisse angulaire «<math>\;\theta_G(t) = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\overrightarrow{OG}(t) \right\rbrace} = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\vec{u}_r(t) \right\rbrace}\;</math>» <ref name="noté theta"> Noté «<math>\;\theta(t)\;</math>» par la suite en absence d'ambiguïté.</ref> ; {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = \left[ \overrightarrow{OG}(t) \wedge m\;\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_O} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids"> Le moment vectoriel du poids par rapport à <math>\,O\,</math> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)\;</math>» a établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_liaison_sphérique_et_avec_les_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b),_établissement_de_la_nature_plane_du_mouvement_du_C.D.I._G_du_P.P.(N.A.)|dans le cas d'une liaison sphérique et avec les C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), établissement de la nature plane du mouvement du C.D.I. G du P.P.(N.A.)]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] », soit «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\varphi_G}(t)\;</math>» avec <math>\,\vec{u}_{\varphi_G}\,</math> s'identifiant à <math>\,\vec{u}_{\Delta_O}</math>. <br>{{Al|3}}On pouvait aussi déterminer directement le moment scalaire du poids, le schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_«_liaison_pivot_»_ou_d’une_«_liaison_sphérique_avec_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b)_»,_nouveau_repérage_adapté_à_la_nature_rotatoire_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_à_un_degré_de_liberté|dans le cas d'une liaison pivot ou d'une liaison sphérique avec C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), nouveau repérage adapté à la nature rotatoire du mouvement du P.P.(N.A.) à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » étant fait avec le paramètre de position angulaire <math>\,\theta > 0</math>, on observe que le poids tend à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,-\,</math> avec un bras de levier <math>\,\big(</math>distance orthogonale séparant l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du support de <math>\,m\;\vec{g}\big)\,</math> égal à <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où, dans le cas où <math>\,\theta\,</math> est <math>\,> 0</math>, {{Nobr|«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)</math>}} <math>= - \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>» <math>\,\Big\{</math>le résultat est indépendant du signe de <math>\,\theta\,</math> mais si le schéma était fait avec <math>\,\theta < 0</math>, on observerait que le poids tendrait à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,+\,</math> avec un bras de levier <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = + \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = m\;g\;\left[ -\mathfrak{a}\; \sin(\theta) \right] = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>», soit effectivement le même résultat <math>\,\big[</math>avec toutefois une possibilité d'erreur si on oubliait que <math>\,\theta < 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert = -\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\big]\Big\}</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_particulier_où_M_est_en_mouvement_circulaire_d'axe_Δ_et_de_vitesse_angulaire_instantanée_Ω(t)|cas particulier où M est en mouvement circulaire d'axe Δ et de vitesse angulaire instantanée Ω(t)]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> de la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I."> Conditions Initiales.</ref> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O"> On a établi dans la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#cite_note-réduction_à_deux_composantes_de_la_réaction_dans_ces_C.I.-18|¹⁸]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » que la réaction du point <math>\,O\,</math> dans l'hypothèse d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] sur le pendule lancé dans les C.I. <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\,</math> ou <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\,</math> s'écrirait <math>\,\vec{R}(t) =</math> <math>R_{\rho_G}(t)\;\vec{u}_{\rho_G}(t) + R_z(t)\;\vec{u}_z</math>, c.-à-d. que la réaction serait dans le plan vertical de lancement soit encore «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» ; <br>{{Al|3}}on établit de même <math>\,\big[</math>sans que cela ait été exposé dans le chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> que la réaction de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le pendule quels que soient les C.I. de lancement compatibles avec la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] s'écrit «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>».</ref> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul"> En effet la force étant <math>\,\perp\,</math> à l'axe par rapport auquel son moment scalaire est évalué est de bras de levier nul.</ref> auquel s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe"> Le couple étant de moment vectoriel <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta_O</math>.</ref> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée à la date <math>\,t\,</math> par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée développée à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|7}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}sans terme du 1^er ordre ; {{Al|5}}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique"> On appelle « [[w:Solution_de_forme_fermée|solution analytique]] » d'une équation différentielle, une expression mathématique <math>\,\big(</math>souvent dite « formule explicite »<math>\big)\,</math> pouvant s'obtenir par une combinaison d'opérations et de [[w:Fonction_de_référence|fonctions de référence]] <math>\,\big(</math>c.-à-d. fonctions affines, puissances, trigonométriques et exponentielles ainsi que leurs fonctions inverses sur un domaine de définition restreint pour lequel il y a bijection et même certaines solutions d'équations différentielles dites de référence<math>\big)</math>, les opérations étant l'addition, la soustraction, la multiplication, la division et l'extraction de racines.</ref> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’élongations_angulaires_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'élongations angulaires non petites]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il est nécessaire de procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="solution analytique dans le cas d'élongations petites"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Cas_particulier_des_«_petites_élongations_angulaires_»,_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_=_oscillateur_harmonique_(non_amorti)_approché_de_rotation,_période_des_«_petites_oscillations_»|cas particulier des petites élongations angulaires, pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) oscillateur harmonique (non amorti) approché de rotation, période des petites oscillations]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. [[File:Pendule pesant amorti à un degré de liberté - forces extérieures - bis.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures, <math>\,I\,</math> étant le point où la résultante des forces de frottement fluide peut être appliquée]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti <math>\,\big(</math>voir coupe partielle représentée ci-contre<math>\big)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire" /> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I." /> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O" /> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul" /> où s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe" /> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu où se déplace le [[w:Pendule_pesant|pendule]] exercent sur ce dernier, modélisées par <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}un couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_O}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti" />{{,}} <ref name="définition de H"> <math>\,H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]], de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frotte le solide.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Amorti.</ref> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0 - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right] - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_O}}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}avec terme linéaire du 1^er ordre ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique" /> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’amplitudes_initiales_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'amplitudes initiales non petites]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il faut procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique - bis"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » nécessitant néanmoins d'ajouter le terme d'amortissement <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A." />. == « En complément », caractère conservatif du couple de torsion, énergie potentielle de torsion et conservation de l’énergie mécanique du pendule de torsion (non amorti) dans le champ de torsion du fil == {{Al|5}}Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » ne sont pas explicités dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » }}il me semble souhaitable de le retenir <math>\,\big(</math>et bien sûr d’être capable de le retrouver<math>\big)</math>. === Caractère conservatif du couple de torsion === {{Al|5}}Le travail élémentaire d’un couple de torsion s’exerçant sur un solide, de vecteur moment «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t) = -C\;\alpha(t)\;\vec{u}_\Delta\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Expression_du_vecteur_moment_du_couple_de_torsion_exercé_par_le_fil_en_fonction_de_l'angle_de_torsion_«_α(t)_»,_notion_de_constante_de_torsion_«_C_»_du_fil_de_torsion|expression du vecteur moment du couple de torsion exercé par le fil de torsion α(t), notion de constante de torsion C du fil de torsion]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> lors d’une torsion élémentaire «<math>\;d \alpha\;</math>» <ref name="définition de Delta et alpha sur le fil de torsion"> <math>\,\Delta\,</math> étant la direction du fil de torsion orienté par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et «<math>\;\alpha\;</math>» l'angle de torsion algébrisé, défini au niveau de la liaison au solide dans le plan <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta\,</math> et orienté par <math>\,\vec{u}_\Delta</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion }}étant défini selon «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>», <math>\,\big[\overline{\Omega}(t)\,</math> étant la vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt}\;</math>», <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \alpha\;</math>»<math>\big]\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> soit finalement <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon }}«<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -C\;\alpha\; d \alpha\;</math>» correspondant à une différentielle de fonction <math>\Rightarrow</math> le <u>caractère conservatif du couple de torsion</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple"> Pour montrer qu’une force est conservative, on évalue son travail élémentaire en prenant un vecteur déplacement élémentaire quelconque <math>\,\overrightarrow{dM}\,</math> à partir du point d'application <math>\,M\,</math> de la force <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#2ème_définition_(équivalente)_d'une_force_«_conservative_»|2^ème définition (équivalente) d'une force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> ; <br>{{Al|3}}lorsqu'il s’agit d'un couple de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, il faut évaluer son travail élémentaire en envisageant une rotation élémentaire quelconque autour de n'importe quelle direction, le couple est alors conservatif si ce travail élémentaire est une différentielle de fonction mais <br>{{Al|3}}{{Transparent|lorsqu'il s'agit d'un couple }}dans le cas d’un couple de torsion de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, la seule direction autour de laquelle peut s’effectuer une rotation élémentaire est celle du fil c.-à-d. celle de <math>\,\vec{\Gamma}\,</math> et par suite la seule condition pour que le couple de torsion soit conservatif est que son travail élémentaire en considérant une rotation élémentaire autour de la direction du fil de torsion soit une différentielle de fonction ou encore que « le moment scalaire du couple de torsion par rapport au fil ne dépende que de l'angle de torsion <math>\,\alpha\;</math>» C.Q.E.R. <math>\,\big(</math>Ce Qui Est Réalisé<math>\big)</math>.</ref>. === Énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion === {{Al|5}}L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,U_{\text{tors}}\,</math> dont « dérive » le couple de torsion de vecteur moment <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}est définie par «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#1ère_définition_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|1^ère définition de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> c.-à-d. «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(\alpha)\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\,</math> ou <math>\,-C\;\alpha\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <math>\Leftrightarrow</math> «<math>\;\dfrac{dU_{\text{tors}}}{d \alpha} = C\;\alpha\;</math>» soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}en intégrant «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2 + cste\;</math>» ; choisissant la référence de l’énergie potentielle de torsion <math>\;U_{\text{tors}}(\alpha)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle"> C.-à-d. l'endroit où l'énergie potentielle est choisie nulle.</ref> <br>{{Al|7}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> en intégrant «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\alpha) = 2\; C\;\alpha^2 + cste}\;</math>» ; choisissant la référence }}quand le fil n’est pas tordu c.-à-d. <math>\,U_{\text{tors}}(0) = 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = 0</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}l'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d’un fil et sa conservation en absence de frottement === [[File:Pendule de torsion sans masselottes - actions exercées.png|thumb|500px|Schéma d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] représenté sans masselottes additives et avec fil inférieur sans torsion avec ajout des actions exercées sur la tige à l'instant <math>\;t</math>]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec un seul fil de torsion, l'autre fil étant sans torsion <math>\,\big(</math>voir schéma ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec un seul fil de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}la seule action extérieure de moment scalaire non nul par rapport à la direction <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}commune du fil de torsion et du fil sans torsion <math>\;\big(</math>orientée par le vecteur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> étant le couple « conservatif » de torsion <ref name="conservativité du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Caractère_conservatif_du_couple_de_torsion|caractère conservatif du couple de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}moment vectoriel «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}} = -C\;\alpha\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion /> auquel on associe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie potentielle de torsion du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre valant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;U_{\text{tors}}(t) =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion énergie potentielle de torsion }}<math>\,\dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_torsion_du_solide_relié_au_fil_de_torsion|énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}son énergie cinétique à la date <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{pend. tors.}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique }}<math>J_{CO_{\text{sup}}}\,</math> est le moment d'inertie du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] relativement à la <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique <math>\color{transparent}{J_{CO_{\text{sup}}}}\,</math> est }}direction du fil de torsion et du fil sans torsion <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à l'instant <math>\,t\,</math> selon «<math>\;E_m(t) = K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Propriétés_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|propriétés de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] (2^ème propriété) » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha_0 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\alpha(0) = \alpha_0\;</math> et <math>\,\dot{\alpha}(0) = 0\;</math>». [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]]]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige <math>\,\big(</math>voir photographie ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec deux fils de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}il y a deux actions extérieures s'exerçant sur le solide « tige + masselottes » de moment scalaire non nul par rapport à <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}la direction commune <math>\,\Delta_C\,</math> des deux fils de torsion <math>\,\big(</math>orientée par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}élémentaire du solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}prouve le <u>caractère conservatif du couple de torsion du fil supérieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}supérieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = -d U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta = -d U_{\text{tors. sup.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. sup.}}}{d \theta} = C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\,</math> qui s'intègre en <math>\,U_{\text{tors. sup.}}</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,= \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> et, en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. sup.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du solide à l'équilibre » c.-à-d. <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre"> Revoir l'explication rappelée dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans le chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil supérieur du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta_1 - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_1 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion"> Symboliquement l'énergie potentielle d'un solide dans le champ de torsion d'un fil de torsion s'obtient, à une constante additive près, par la moitié du produit de la constante de torsion du fil et du carré de l'angle de torsion, à l'instant <math>\;t</math>, du fil au point d'attache du solide.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation élémentaire du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\; \theta(t)\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et prouve le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<u>caractère conservatif du couple de torsion du fil inférieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}inférieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = -d U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\;\theta\;d \theta = -d U_{\text{tors. inf.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. inf.}}}{d \theta} = C\; \theta\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{tors. inf.}} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} + cste_2\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. inf.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position du solide à l'équilibre » c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil inférieur du solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2} + cste_2 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_2 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}finalement l'énergie potentielle globale de torsion du solide « tige + masselottes » <math>\,\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale }}s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = U_{\text{tors. sup.}}(\theta) + U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» ou, en simplifiant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale s'écrit }}«<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2\;</math>» <ref> En effet <math>\,\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + 2\;C\; \theta_1^{\,2} + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + C\; \theta_1^{\,2} = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2</math>.</ref>{{,}} <ref> Cette énergie potentielle de torsion du solide « tige + masselottes » est la même que celle que l'on obtiendrait avec un seul fil de torsion de constante de torsion <math>\,2\,C</math>, l'autre fil étant sans torsion avec la référence en la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>.</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule ci-dessus étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «<math>\;\color{transparent}{K_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#%Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torion par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique de l'ensemble tige + masselottes) » plus haut dans ce chapitre.</ref> avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule }}<math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion des deux fils définie, à l'instant <math>\,t\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie mécanique }}«<math>\;E_m(t) = K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}\! \left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\alpha\;</math>» dans le 1^er exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] ou <br>{{Al|57}}celui «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta - \theta_1 \right]^2 \,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du 2^ème exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|même]] paragraphe <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}étant parabolique, nous retrouvons la <u>2^ème définition d’un oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math>de rotation<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_(équivalente)_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition (équivalente) énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. <br>{{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> de son mouvement dans le 2^ème exemple du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}«<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2 = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>», <br>{{Al|58}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}les C.I. <ref name="C.I." /> étant «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}est donc une <u>ellipse décrite dans le sens horaire</u> <ref name="portrait de phase d'un socillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Tracé_du_portrait_de_phase_de_la_charge_du_condensateur_d'un_«_R_L_C_série_»_soumis_à_un_échelon_de_tension_suivant_le_cœfficient_d'amortissement|propriétés des portraits de phase de la charge du condensateur d'un RLC série soumis à un échelon de tension suivant le cœfficient d'amortissement]] (cas d'un circuit oscillant non amorti en vert) » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. == Conservation de l’énergie mécanique du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) dans le champ de pesanteur uniforme == === Énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant === {{Al|5}}Dans le cas d'un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref><math>\big)</math>, le poids du solide étant la seule action extérieure travaillant et ce dernier étant conservatif <ref name="poids d'un objet conservatif"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Établissement_du_caractère_«_conservatif_»_du_poids_d'un_point_matériel_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|établissement du caractère conservatif du poids d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, }}on lui associe l'énergie potentielle de pesanteur «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta)\;</math>» <ref name="énergie potentielle de pesanteur"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#«_Énergie_potentielle_de_pesanteur_d'un_point_matériel_»_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|énergie potentielle de pesanteur d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> déterminée en intégrant «<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = -dU_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> avec <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)\,</math> travail élémentaire du poids lors d'une rotation élémentaire d'angle <math>\,d \theta = \dot{\theta}(t)\;dt\,</math> autour de <math>\,\Delta_O\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe «<math>\;\color{transparent}{\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)}\,</math>}}<math>= \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;dt = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)\;dt = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;d \theta\;</math>» <ref name="travail élémentaire du poids du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (actions extérieures exercées sur le solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> d'où <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}<math>\,-dU_{\text{pes}} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\;d \theta\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{pes}}}{d \theta}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\,</math> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right) + cste\;</math>» <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}soit, en choisissant comme référence de l'énergie potentielle <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> « la position <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}d'équilibre stable de ce dernier <ref name="équilibre stable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessous de ce dernier.</ref> <math>\,\theta_{\text{éq. stable}} = 0\;</math>» d'où <math>\,U_{\text{pes}}(0) = 0\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}<math>\Rightarrow</math> <math>\,0 = -m\;g\;\mathfrak{a} + cste\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = m\;g\;\mathfrak{a}\,</math> d'où l'expression de <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}l'énergie potentielle de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> se réécrit selon <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta \right) \right]\;</math>» <ref> Pour trouver l'expression de l'énergie potentielle de pesanteur on peut aussi utiliser <math>\,\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = m\;g\;dz_G = -dU_{\text{pes}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{pes}} = -m\;g\;z_G + cste\,</math> sachant que <math>\,z_G = \mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right)\,</math> avec pour position d'équilibre stable <math>\,z_{G,\,\text{éq. stable}} = \mathfrak{a}</math> <math>\;\ldots</math></ref> <math>\,\big(</math>référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : la position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement === {{Al|5}}Considérant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A." /><math>\big)</math>, l'énergie potentielle de pesanteur étant «<math>\;U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right] = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\,</math> avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> <math>\,\theta_{\text{équi. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P."/> » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> et <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie cinétique du solide constituant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique du solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> dans laquelle <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie cinétique}}«<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du solide par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie mécanique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> dans le champ de pesanteur «<math>\;E_m\!(t) = K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) + U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right]</math> <br>{{Al|23}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie mécanique du P.P.N.A. dans le champ de pesanteur «<math>\;\color{transparent}{E_m\!(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{P.P.N.A.}}(t) + U_{\text{pes}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P..P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\,\left[ 1 - \cos(\theta) \right]\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}n'étant pas parabolique <math>\,\big(</math>mais sinusoïdal<math>\big)</math>, nous pouvons affirmer que <u>le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> n'est pas un oscillateur harmonique</u> <math>\,\big(</math>quand il est en situation d'osciller<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <math>\blacktriangleright\;</math>« oscillatoire pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'énergie mécanique initiale du P.P.N.A. vaut «<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^2 + m\;g\; \mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta_0 \right) \right]\;</math>».</ref> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. est }}<math>\blacktriangleright\;</math>« révolutive pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="étude du mouvement d'un P.P.N.A. par diagramme d'énergies"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Étude_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_dans_le_cas_général_des_élongations_angulaires_non_petites_par_diagramme_énergétique|étude du mouvement du P.P.(N.A.) dans le cas général des élongations angulaires non petites par diagramme énergétique]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}de démontrer, avec utilisation simultanée de l'intégrale 1^ère énergétique <ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'intégrale 1^ère énergétique du P.P.N.A. s'écrit «<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^{\,2} + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet de démontrer, }}la nature « périodique <math>\,\big(</math>oscillatoire ou révolutive<math>\big)\;</math>» ainsi que <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}d’établir l’expression de la période sous forme intégrale <math>\ldots</math> {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Les [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d’un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ayant pour équation implicite l’intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\;</math><ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" /> de son mouvement lequel dépend de la valeur de l'énergie mécanique initiale <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />, <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. }}diffèrent suivant <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="différents portraits de phase d'un P.P.N.A."> Voir les paragraphes « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Tracé_des_portraits_de_phase_dans_le_cas_général_«_d'oscillations_ou_de_mouvement_révolutif_»_d'un_P.P.S._lancé_dans_les_C.I._«_1b_U_1a_»|tracé des portraits de phase dans le cas général d'oscillations ou de mouvement révolutif d'un P.P.S. lancé dans les C.I. 1b U 1a]] » du chap.<math>12</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\,\big(</math>l'allure des [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti étant la même que ceux d'un [[w:Pendule_simple|pendule simple]] non amorti<math>\big)\,</math> et « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Différents_portraits_de_phase_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté),_«_bifurcation_»_entre_mouvement_«_pendulaire_»_et_révolutif|différents portraits de phase du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté), bifurcation entre mouvement pendulaire et révolutif]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>pendulaire</u> <ref name="pendulaire"> Adjectif synonyme d'« oscillatoire ».</ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>fermé</u>, décrit dans le « <u>sens horaire</u> » <ref name="justification du sens horaire"> Ou « trigonométrique indirect », en effet « quand <math>\,\dot{\theta}\,</math> est <math>\,> 0</math>, <math>\,\theta \nearrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \nearrow\,</math> puis <math>\,\searrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule » ensuite «<math>\;\dot{\theta}\,</math> est <math>\,< 0</math>, correspondant à <math>\,\theta \searrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \searrow\,</math> puis <math>\,\nearrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule de nouveau » <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}avec le point «<math>\;\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)\;</math>» comme « <u>centre de </u>{{Nobr|<u>symétrie</u> » <ref name="justification du centre de symétrie"> Invariance de l’équation en changeant «<math>\;\theta\,</math> en <math>\,-\theta\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des vitesses angulaires <math>\,\big(</math>en fait antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>» et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Invariance de l’équation }}en changeant «<math>\;\dot{\theta}\,</math> en <math>\,-\dot{\theta}\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des abscisses angulaires <math>\,\big(</math>là encore c'est une antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|3}}l’association des deux symétries axiales <math>\,\big(</math>ou plutôt des deux antisymétries axiales<math>\big)\,</math> donnant un centre de symétrie pour l'intersection des deux axes <math>\,\big[</math>le point d'intersection des deux axes étant réellement une symétrie centrale <math>\,\big(</math>et non une antisymétrie centrale<math>\big)</math>.</ref>}} <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, avec le point «<math>\;\color{transparent}{\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)}\;</math>» }}correspondant à la position d’équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /> du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ; <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> }}<math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>révolutif</u>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>ouvert</u>, constitué de la <u>répétition du motif de l'intervalle</u><math>\;\left] -\pi\, , \, \pi \right]</math>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase }}répété <math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \nearrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} > 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 > 0\;</math>» ou <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase répété }}<math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \searrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} < 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 < 0\;</math>», <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)\;</math>» et celui avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,-\dot{\theta}_0 > 0 \right)\;</math>» <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, le portrait de phase avec C.I. «<math>\;\color{transparent}{\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)}\;</math>» }}étant <u>antisymétriques</u> l'un de l'autre, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>maxima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre stable</u> <ref name="équilibre stable du P.P." /> «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres stables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» ;<br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}\;</math>»<math>\big)\;</math> alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big)</math>.</ref> et <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>minima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre instable</u> <ref name="équilibre instable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessus de ce dernier.</ref> «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;</math> <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, les minima de<math>\;\color{transparent}{\vert \dot{\theta} \vert}\;</math>obtenus pour les positions d’équilibre instable «<math>\;\color{transparent}{\theta_{\text{éq. inst.}} =}</math> }}<math>\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres instables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = -\left( 2\;p' + 1 \right)\, \pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big[</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big]\;</math>.</ref>. == « Généralisation » à tout « solide » : « théorème de la variation de l’énergie mécanique » et la forme locale associée « le théorème de la puissance mécanique », application au cas d’un solide amorti == {{Al|5}}Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à la généralisation à tout système de points matériels ou continu de matière « indéformable » <ref name="solide au sens de la mécanique" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à }}la généralisation aux systèmes de points matériels ou continus de matière « déformables » sera faite dans le chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Lois_de_l'énergie_cinétique_pour_un_système_déformable_de_points_matériels#«_En_complément_»,_théorème_de_la_variation_de_l’énergie_mécanique_appliqué_à_un_système_de_matière_déformable_dans_le_champ_des_forces_extérieures_et_intérieures_conservatives_et_sa_forme_locale_«_le_théorème_de_la_puissance_mécanique_»|en complément : théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un système de matière déformable dans le champ des forces extérieures et intérieures conservatives et sa forme locale le théorème de la puissance mécanique]] » du chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. === Théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s’écrivant «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\bullet\;</math>celles qui sont conservatives <math>\,\big(</math>lesquelles « dérivent » d’une énergie potentielle<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{ransparent}{\bullet}\;</math>}}dont le travail pendant cette durée finie est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées }}<math>\bullet\;</math>celles qui sont non conservatives <ref name="non conservatives"> Ou, si elles sont conservatives, dont on ne considère pas le caractère « conservatif ».</ref> dont le travail pendant cette durée finie <br>{{Al|12}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>celles qui sont non conservatives dont }}est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}d'où «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou, avec «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, }}<math>\big(U_{\text{ext}}\,</math> étant l'énergie potentielle dont dérivent les forces conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, <math>\color{ransparent}{\big(}</math>}}définie à une constante additive près précisée par choix de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}<math>\Rightarrow</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» d’où la réécriture du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « solide <math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\left( \mathcal{S} \right)} + U_{\text{ext}} \right] = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» où on reconnaît dans le 1^er membre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}la variation de l’énergie mécanique «<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t) + U_{\text{ext}}\!(t)\;</math>» du solide «<math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le champ des forces conservatives sur la durée <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> dans le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où dans le champ des forces conservatives }}référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen d'où, finalement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}le lien entre la variation de l'énergie mécanique du « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;\Delta E_m = E_{m,\,\mathcal{F}} - E_{m,\,\mathcal{I}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» le lien }}le travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> sur cette même durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}«<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» applicable à un solide dans un référentiel d’étude galiléen, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}l'énoncé du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie dans un référentiel galiléen <ref> Ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. sous la forme où il existe des forces extérieures non conservatives dissipatives mais, comme le cas où toutes les forces extérieures travaillant sont conservatives est clairement explicité <math>\,\big(</math>sous la forme de la conservation de l’énergie mécanique du solide<math>\big)</math>, le cas où il existe des forces extérieures travaillant et non conservatives <math>\,\big(</math>comme des forces de frottement<math>\big)\,</math> s’appliquant à un solide peut difficilement être ignoré d'où l'ajout du théorème sous sa forme la plus générale <math>\;\ldots</math></ref>. : {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}<math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <math>\,K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation «<math>\;\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» }}égale au travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale au travail }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire dans un référentiel galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique }}se déduit aisément de sa forme sur une durée finie soit {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}conservatives <math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}<math>K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> <math>\color{transarent}{K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)}\,</math> l'énergie cinétique }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation élementaire«<math>\;d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t)\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» }}égale au travail élémentaire des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» égale au travail }}appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;d E_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide }}est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée finie ou élémentaire se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>». === Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de la puissance mécanique est la forme locale associée à la forme intégrée <ref name="forme intégrée de forme locale" /> “ théorème de la variation de l'énergie mécanique sur une durée finie ou élémentaire ” ; {{Al|5}}pour obtenir cette forme locale on écrit le théorème de la variation de l’énergie mécanique d’un solide dans le champ des forces extérieures conservatives entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math><ref> C.-à-d. la forme élémentaire du théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un solide.</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on écrit }}«<math>\;dE_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\,</math> dans un référentiel galiléen » puis, <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on divise les deux membres par <math>\,dt\,</math> soit «<math>\;\dfrac{dE_m}{dt} = \dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{dE_m}{dt}\;</math>» est la dérivée temporelle de l’énergie mécanique du solide dans le champ des forces extérieures conservatives définissant <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}la puissance mécanique du solide à l'instant <math>\,t\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives, notée «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» la puissance instantanée développée, à l'instant <math>\,t</math>, par les forces extérieures non conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}appliquées au solide notée «<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on obtient «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» d'où l'énoncé du théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen : {{Théorème|titre=Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide »|contenu = {{Al|5}}La puissance mécanique à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> <math>\big[</math>avec, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie mécanique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{ext}}(t)}\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces }}conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math>» l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique }}est égale à la puissance instantanée développée par les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique est égale à }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> au même instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide à un instant <math>\,t\,</math> quelconque se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}c.-à-d., après intégration, « la conservation de l’énergie mécanique du solide précédemment défini ». === Application au cas d’un solide amorti === {{Al|5}}Parmi les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées à un solide et travaillant, « les plus fréquentes sont dissipatives » <ref> Mais elles peuvent aussi être motrices par exemple, si nous souhaitons que les oscillations d’un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ou d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] perdurent alors qu’existent naturellement des frottements {{Nobr|<math>\,\big(</math>même}} minimes<math>\big)</math>, il est nécessaire de les entretenir à l’aide d’une force extérieure motrice compensant les forces de frottement, cette force motrice étant alors usuellement non conservative tout comme le sont les forces de frottement.</ref> comme les forces de frottement fluide <math>\,\big(</math>ou solide<math>\big)</math> ; {{Al|5}}si les seules forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> travaillant sont des forces de frottement s'exerçant sur un solide en mouvement dans un référentiel galiléen, <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces }}conservatives <ref name="théorème de la puissance mécanique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_la_puissance_mécanique_appliqué_à_un_«_solide_»|théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}s’écrivant «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{frott}}\!(t) < 0\;</math>» dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}l'énergie mécanique de ce solide «<math>\;E_m(t) \searrow\,</math> au sens strict » avec <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}</math> <math>\big(</math>il est qualifié d'« amorti »<math>\big)</math>. ==== Cas particulier du pendule de torsion amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] dont la photographie est dans un « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|paragraphe plus haut dans ce chapitre]] » mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}avec les masselottes remplacées par des ailettes comme présenté dans le schéma de vue de dessus de la « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|remarque du paragraphe précité]] », <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d'un fil et sa conservation en absence de frotemment]] (2^ème exemple) » plus haut dans ce chapitre dans lequel <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> doit être remplacée par <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})</math>.</ref> dans le référentiel <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « }}<math>\big\{</math>avec <math>\,U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> la position d'équilibre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « <math>\color{transparent}{\big\{}</math>avec <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2}\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence }}du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}on en déduit la puissance mécanique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;\dot{E}_m(t) = J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + 2\;C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]\,\dot{\theta}(t)\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}la puissance du couple de frottement fluide linéaire <math>\,\big(</math>seules forces extérieures non conservatives travaillant de moment scalaire par rapport à l'axe de rotation du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion la puissance du couple de frottement fluide linéaire <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>}}<math>\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion" />, <math>\,H\,</math> étant une constante positive <ref> Exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frottent les ailettes.</ref><math>\big)\,</math> <br>{{Al|6}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion la puissance du couple de frottement fluide linéaire }}agissant sur les ailettes du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étant «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] (remarque : actions extérieures exercées sur l'ensemble “ tige et ailettes ”) » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}le théorème de la puissance mécanique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» ou <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» ou encore, <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + 2\;C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]\,\dot{\theta}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}après simplication par <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> non identiquement nulle <ref name="hors position d'équilibre" /> et normalisation <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <ref> Identique à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Identique }}à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] (2^ème exemple où les masselottes sont remplacées par des ailettes) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <center>«<math>\;\ddot{\theta}(t) + + \dfrac{H}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta_1\;</math>».</center> ==== Cas particulier du pendule pesant à un degré de liberté amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] à un degré de liberté dont le schéma est dans un « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|paragraphe plus haut dans le chapitre]] » dans lequel <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}des frottements fluides linéaires agissent sur le [[w:Pendule_pesant|pendule]] comme présentées dans le schéma de la « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|remarque du paragraphe précité]] », <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}l'énergie mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frotemment]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> dans le référentiel <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté l'énergie mécanique du P.P.A. étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « }}<math>\big\{</math>avec <math>\,U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\,</math> l'énergie potentielle de pesanteur <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté l'énergie mécanique du P.P.A. étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « <math>\color{transparent}{\big\{}</math>}}la position d'équilibre stable du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> <math>\,\theta_{\text{équi. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P."/><math>\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}on en déduit la puissance mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." />, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;\dot{E}_m(t) = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \sin\! \left[ \theta(t) \right]\,\dot{\theta}(t)\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}la puissance des forces de frottement fluide linéaire <math>\,\big(</math>seules forces extérieures non conservatives travaillant de moment scalaire par rapport à l'axe de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté la puissance des forces de frottement fluide linéaire <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>}}rotation du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] <math>\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_O}(t) = -H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="moment scalaire des forces de frottement fluide sur pendule pesant"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <math>\,H\,</math> étant une constante positive <ref> Exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]], de la forme de celui-ci par rapport à l'axe et du fluide sur lequel il frotte.</ref><math>\big)\,</math> <br>{{Al|6}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté la puissance des forces de frottement fluide linéaire }}agissant sur le [[w:Pendule_pesant|pendule]] étant «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_O}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (remarque : actions extérieures exercées sur le solide du pendule) » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» ou <br>{{Al|18}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» ou encore, <br>{{Al|18}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \sin\! \left[ \theta(t) \right]\,\dot{\theta}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou <br>{{Al|18}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}après simplication par <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> non identiquement nulle <ref name="hors position d'équilibre" /> et normalisation <br>{{Al|18}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] amorti <ref> Identique à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Identique }}à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (remarque établissement de l'équation différentielle du P.P.A.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|18}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + + \dfrac{H}{J_{\Delta_O}}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>». == Notes et références == <references /> {{Bas de page | idfaculté = physique | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie|Approche énergét. du mouv. d'un sol. en rotat. autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels|Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels]] }} 4aytj9pfwf5nc18sbrsk08ll86ni449 987955 987954 2026-11-01T04:09:20Z Phl7605 31541 /* Cas particulier du pendule pesant à un degré de liberté amorti par frottement fluide linéaire */ 987955 wikitext text/x-wiki {{Chapitre | idfaculté = physique | numéro = 12 | niveau = 14 | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie/]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels/]] }} <center>Ce chapitre est traité dans le cadre de la dynamique newtonienne avec ajout de quelques éléments de dynamique relativiste.</center> == Théorème de l'énergie cinétique d’un système de matière, cas d’un solide en rotation autour d’un axe fixe == {{Al|5}}Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}est évidemment à connaître comme forme intégrée de la forme locale <ref name="forme intégrée de forme locale"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Lois_de_la_puissance_et_de_l'énergie_cinétiques#Différence_entre_«_forme_locale_de_la_dynamique_»_et_«_forme_intégrée_associée_à_cette_forme_locale_»|différence entre forme locale de la dynamique et forme intégrée associée à cette forme locale]] » du chap.<math>15</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> « théorème de la puissance <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}cinétique d'un système de matière » laquelle est inscrite explicitement dans le programme <math>\;\ldots</math> === Définition du travail du système des forces extérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque"> Par « système de matière quelconque » il faut entendre « système fermé discret de points matériels ou continu de matière » « déformable ou non ».</ref> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1"> A priori <math>\,N\,</math> pourrait être égal à <math>\,1\,</math> mais ce ne serait plus un système de points matériels mais un simple point matériel.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes"> C.-à-d. l’ensemble des paramètres de position et de vitesse de tous les points à l'instant de définition de l'état, tous ces paramètres permettant d’y décrire le système.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> entre }}l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Expression_du_travail_élémentaire_de_la_force_dont_le_point_d’application_subit_le_vecteur_déplacement_élémentaire_correspondant_à_la_durée_élémentaire_de_développement_de_sa_puissance|expression du travail élémentaire de la force dont le point d'application subit le vecteur déplacement élémentaire correspondant à la durée élémentaire de développement de sa puissance]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - bis"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="infiniment proches"> Instants infiniment proches.</ref>, son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité volumique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance volumique <math>\,\mathcal{P}_{\text{vol},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t)</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité surfacique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance surfacique <math>\,\mathcal{P}_{\text{surf},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) =</math>}} <math>\sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité linéique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance linéique <math>\,\mathcal{P}_{\text{lin},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right] dt\;</math>».</ref>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« chaque point <math>\,\color{transparent}{M_i}\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> entre «<math>\;\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\;</math>» }}son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\,</math> étant aussi tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces extérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces extérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" />. === Définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est également présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2"> Pour l'existence de forces intérieures appliquées à un système, <math>\,N\,</math> doit être évidemment <math>\,\geqslant\,</math> à <math>\,2</math>.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes" /> et l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" /> sachant que <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir }}le système des forces intérieures s'exerçant sur le système discret fermé de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le système des forces intérieures }}est défini comme « l'ensemble des forces <math>\,\vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t)\,</math> que chaque point <math>\,M_j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, exerce sur chaque point <math>\,M_i,\;\;i \neq j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math>» <ref name="système de forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Forces,_principe_des_actions_réciproques#Système_des_forces_intérieures_s’exerçant_sur_un_système_de_points_matériels_fermé|système des forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math> entre les instants <math>\;t\;</math> et <math>\;t + dt\;</math> selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i} \right]\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - ter"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> dans lequel, chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \mu(M')\;d \mathcal{V}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bivolumique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}}{d \mathcal{V}_{M'}\;d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \sigma(M')\;d S_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\;</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bisurfacique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}}{d S_{M'}\;d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \lambda(M')\;d \mathit{l}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\;\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bilinéique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}}{d \mathit{l}_{M'}\;d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace dt\;</math>».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces intérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces intérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière" />. {{Al|5}}<u>Remarque 1</u> : Le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures }}peut aussi être défini à partir de la puissance instantanée développée par les forces intérieures s’exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="définition de la puissance développée par les forces intérieures"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Définition_2|définition]] (de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures peut aussi être défini }}selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - tetra"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : }}le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}s'obtenant en ajoutant tous les travaux élémentaires de <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}peut se calculer à partir de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> peut se calculer }}par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>». {{Al|5}}<u>Remarque 2</u> : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math><ref name="définition du référentiel Rj"> Le référentiel «<math>\;\mathcal{R}_j\;</math>» est le référentiel lié à <math>\,M_j\,</math> en translation par rapport au référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#cite_note-puissance_des_forces_intérieures_s'exerçant_sur_système_continu_de_matière_-_ter-55|⁵⁵]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> dans le référentiel <math>\,\color{transparent}{\mathcal{R}}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}_{\text{int}}(t)}</math> }}<math>= \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Autres_expressions_équivalentes|autres expressions équivalentes]] de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj"> Le point <math>\,M_i\,</math> décrivant dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_j</math> <math>\,\big[</math>lié à <math>\,M_j\,</math> et en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\big]\,</math> une trajectoire particulière <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}\;</math> entre les deux instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t)\big]\,</math> étant tangent à <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}</math>.</ref> ou <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures «}}<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right]\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : }}de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière" />{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" />{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" />. {{Al|5}}<u>Remarque 3</u> : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nulle <ref name="puissance des forces intérieures en général non nulle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (1^ère conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu"> Système discret de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique"> Le système se comporte donc comme un solide au sens de la mécanique.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures nulle pour un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (3^ème conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = 0\;\;\forall\;t\,</math> pour <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = 0\;\;\forall\;\left[ t\,,\,t + dt \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> le devient }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = 0\;\;\forall\;\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> ». === Théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Partant du théorème de la puissance cinétique appliqué, à l'instant <math>\,t</math>, à un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Énoncé|énoncé]] du théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> dans lequel <math>\,\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math> est la puissance cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{ext}}(t)\,</math> la puissance développée par les forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\,</math> celle développée par les forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la même date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on multiplie par <math>\,dt\,</math> pour obtenir la forme élémentaire du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir la forme élémentaire }}entre «<math>\;t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\;</math>» où <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> est la variation élémentaire d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{ext}}\,</math> le travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{int}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur le même <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on intègre entre <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique }}entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec <math>\,\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\,</math> variation d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\,</math> }}sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> le travail des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> le travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> celui des forces intérieures }}sur le même <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>. {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> étant nul quel que soit le mouvement du système » <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Définition_du_travail_du_système_des_forces_intérieures_appliquées_à_un_«_système_de_matière_»_entre_un_état_initial_et_un_état_final|définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un système de matière entre un état initial et un état final]] (remarque 3) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul }}<math>\Rightarrow</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide sous sa forme élémentaire ou <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide }}sur une durée finie : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière en translation » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière"> Système fermé discret fermé de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> en translation » <ref name="système en translation"> Un « système de matière en translation » ne se déformant pas peut aussi être qualifié de « solide » au sens de la mécanique.</ref>, tous les points ont le même vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> égal à celui du C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> <math>\,G\,</math> du système, d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\!G}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <ref name="signification du travail élémentaire développé par les forces extérieures appliquées à un système en translation"> Dans cette 3^ème expression «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» est aussi « le travail élémentaire qui serait développé, sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\,t + dt \right],</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>, par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans <math>\,\mathcal{R}\;</math>» <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», ce dernier s'obtenant par application du théorème du mouvement du C.D.I. <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Principe_fondamental_de_la_dynamique_et_théorème_de_la_résultante_cinétique#Énoncé_du_théorème_(dynamique_newtonienne)|énoncé du théorème (dynamique newtonienne)]] du mouvement du C.D.I. d'un système » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> correspondant aussi à l'application de la r.f.d.n. <math>\,\big(</math>relation fondamentale de la dynamique newtonienne<math>\big)\,</math> au point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>» sur lequel s'exercerait la résultante dynamique<math>\big\}</math>.</ref> dans laquelle «<math>\;\vec{F}_{\text{ext}}(t)\;</math> est la résultante <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}«}}dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» <ref> Voir les paragraphes « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_en_translation_»|cas d'un système de matière en translation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » et « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissancce développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces intérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{int},\,\text{syst. en transl.}} = 0\;</math>» <ref name="système en translation" />{{,}} <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>de la variation élémentaire de l'énergie cinétique du système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en transl.}}\;</math>» avec «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="signification de l'énergie cinétique d'un système en translation"> Dans cette 2^ème expression «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» est aussi « l'énergie cinétique newtonienne du point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans {{Nobr|<math>\,\mathcal{R}\,</math>»}} <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», tous les points du système en translation ayant même vitesse que le C.D.I. <math>\,G\big\}</math>.</ref> l'énergie cinétique <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, dans le cadre de la cinétique newtonienne <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en translation"> Voir le paragraphe « énergie cinétique dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Cas_d'un_système_en_translation|cas d'un système en translation]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique }}appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" />{{, }} <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque dans un référentiel galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> nous obtenons : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un référentiel <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière en translation <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> étant le C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> et <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =}</math> }}la résultante dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\,</math> ou <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste"> Applicable sous cette forme dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste.</ref> avec <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="système fermé de matière" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système en translation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =</math> <math>K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail effectué par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail effectué par la résultante dynamique }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <br>{{Al|208}}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Ce théorème <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais il doit bien sûr être connu <ref> Sans doute ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. car on considère usuellement un système de matière en translation comme un point matériel <math>\,\big(</math>le C.D.I. <math>\,G\,</math> du système<math>\big)\,</math> sur lequel s'exerce la résultante dynamique du système et, selon ce point de vue, le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un système de matière en translation n'est rien d'autre que le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un point matériel, lequel est, quant à lui, au programme <math>\;\ldots</math></ref>. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}<u>Préliminaire</u> : Un « système <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » peut, a priori, se déformer <ref name="système en rotation autour d'un axe"> Par exemple, en se dilatant, c.-à-d. que chaque point du système, en plus de sa rotation autour d'un axe fixe, s'éloigne radialement de cet axe <math>\,\big(</math>la vitesse d'éloignement pouvant être différente d'un point à un autre<math>\big)\,</math> mais dans ce cas il ne s'agit pas d'une rotation « pure » <math>\;\ldots</math> <br>{{Al|3}}Pour maintenir une même vitesse angulaire à un instant <math>\,t\,</math> pour tous les points d'un « système déformable », il faut que le mouvement orthoradial de chacun des points soit corrélé au mouvement radial correspondant, avec absence de mouvement axial, c.-à-d. que, pour deux points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> tels que la droite <math>\,M_iM_j\,</math> recoupe l'axe <math>\,\Delta\,</math> perpendiculairement en <math>\,H_{i,\,j}</math>, <math>\,\big[</math>les points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> ayant donc même abscisse angulaire <math>\,\theta_{i,\,j}(t)\big]\,</math> on ait <math>\,\dot{\theta}_{i,\,j}(t) = \overline{\Omega}(t)</math> <math>\,\big[</math>donc indépendant de <math>\,\left( i\,,\, j \right)\big]\,</math> pour tout instant <math>\,t\,</math> et pour tout couple <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> dont les éléments ont même abscisse angulaire, ces conditions étant très contraignantes sont quasiment jamais réalisées naturellement <math>\;\ldots</math></ref>, toutefois, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Préliminaire : un « système <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>fermé<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » }}il est, en pratique, indéformable et est alors qualifié de « solide » au sens de la mécanique ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Préliminaire : }}l’exposé ci-dessous s'applique à un système discret <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de points matériels ou un système continu <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}<u>Exposé</u> : Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière" /> indéformable, en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe <math>\,\Delta</math>, fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen », <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}tous les points ont le même vecteur rotation instantanée <math>\,\vec{\Omega}(t) = \overline{\Omega}(t)\;\vec{u}_{\Delta}\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\big[\vec{u}_{\Delta}\,</math> étant le vecteur unitaire orientant l'axe de rotation <math>\,\Delta\,</math> et <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\big[}</math>}}autour de cet axe de rotation <math>\,\Delta\big]\,</math> d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe"> Expression ne nécessitant pas que l'axe <math>\,\Delta\,</math> soit fixe, la fixité de l'axe dans un référentiel intervenant quand ce dernier est galiléen et quand on utilise l'un des théorèmes fondamentaux de la dynamique de rotation des systèmes <math>\,\big\{</math>par exemple le théorème de l'énergie cinétique établi dans ce paragraphe mais le traavail élémentaire déveeloppé par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» ne nécessite pas que <math>\,\Delta\,</math> soit fixe<math>\big\}</math>.</ref>{{,}} <ref name="travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur un système en rotation"> Voir le paragraphe « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> {{Nobr|«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)</math>}} <math>= \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;</math>» et le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\delta W\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right] = \mathcal{P}\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right]\;dt\;</math>» puis, en faisant la somme membre à membre de façon à définir le travail élémentaire du sytème des forces extérieures s'exerçant sur le système en rotation «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)\;dt\;</math>».</ref> où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> est le moment <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» ou, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>du travail élémentaire }}avec «<math>\;\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta\;</math>» dans lequel <math>\,\theta(t)\,</math> est l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, la réécriture <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>,«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>de la variation de l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}}\;</math>» avec, l'énergie cinétique, à l'instant <math>\,t</math>, de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le cadre de la cinétique newtonienne «<math>\;K_{\text{syst. en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en rotation autour d'un axe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d’un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d’un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> avec «<math>\;J_\Delta\,</math> le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}relativement à <math>\,\Delta\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe"> Voir la notion de moment d'inertie d'un système discret ou continu dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Application_à_un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe#Application_au_cas_d'un_«_système_fermé_de_matière_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe_«_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|application d'un système fermé de matière en rotation autour d'un axe Δ fixe quelconque dans un référentiel d'étuide galiléen]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> d'où, en cinétique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> appliqué à un solide <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_solide_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d'un système }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> avec «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» et «<math>\;\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <math>\,\overline{\Omega}(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}<math>= \dot{\theta}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> encore égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>avec <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> et <math>\,\theta(t)\,</math> l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" />, sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail du moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail du }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[\theta(t)\,</math> étant l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation est égale au travail du «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[\theta}\,</math> étant l'abscisse angulaire }}à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> étant le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = 2\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)}\;</math>» <math>\,\big[</math>}}<math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] <math>\,\big(</math>photographié ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_(non_amorti)|mise en équation différentielle du mouvement du pendule de torsion (non amorti)]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Théorème_de_la_puissance_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_autour_d'un_axe_Δ_fixe_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe dans un référentiel d'étude galiléen]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. {{Al|5}}Ci-contre le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec deux fils de torsion identiques de même constante de torsion «<math>\;C\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec }}positions de masselottes identiques <math>\,\big(</math>sauf pour la couleur<math>\big)\,</math> de part et d'autre du point <math>\,C\,</math><ref name="distinction entre point d'attache des fils sur la tige et constante de torsion des fils"> On accepte la même notation pour le point d'attache des deux fils sur la tige et la constante de torsion de ces derniers tant qu'il n'y a pas d'ambiguïté <math>\,\big(</math>ce qui ne devrait jamais arriver compte-tenu du fait que ces deux grandeurs sont de nature différente<math>\big)</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec positions de masselottes identiques }}<math>\,\big(C\,</math> point d’attache des deux fils de torsion sur la tige<math>\big)</math> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre <math>\,\big(</math>en absence de masselottes<math>\big)\,</math> diffère du « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] » de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici l'extrémité supérieure <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil de torsion supérieur est mobile au lieu d'être fixe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur étant dans les deux fixe et <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici la torsion initiale est fournie par rotation propre de <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> d'un angle «<math>\;2\,\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>repéré sur le cercle gradué lié à <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}</math>, position de référence du cercle gradué<math>\big)\,</math> <math>\Rightarrow</math> en pratique, après quelques oscillations, la tige <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}acquiert la position d'équilibre repérée par l'angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>voir vérification ci-dessous<math>\big)\,</math> alors que <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] la torsion initiale est fournie par rotation de la tige d'un angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>également repéré <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>dans le pendule du chap.7 }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}\big)</math>, la position d'équilibre de la tige étant repérée par l'angle nul ; {{Al|5}}<u>vérification de la position d'équilibre de la tige dans le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}orientant les deux fils de torsion du bas vers le haut, quand la tige acquiert la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion supérieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche"> Une hélice est « droite » si le point tourne sur la gauche <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique direct ou encore dans le sens antihoraire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée et <br>{{Al|31}}elle est « gauche » si le point tourne sur la droite <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique indirect ou encore dans le sens horaire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée <br>{{Al|3}}<math>\,\big[</math>revoir aussi la distinction « hélices gauche ou droite » dans le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Mouvement_de_particules_chargées_dans_des_champs_électrique_et_magnétique_:_Cas_particulier_d'un_champ_magnétostatique_uniforme#Nature_hélicoïdale_uniforme_du_mouvement_de_la_particule|nature hélicoïdale uniforme du mouvement de la particule]] » du chap.<math>24</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> d'un angle «<math>\;\theta_1 - 2\;\theta_1 = -\theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil"> L'angle de torsion du fil qui intervient dans le vecteur moment du couple de torsion est l'angle que fait l'extrémité mobile relativement à l'extrémité maintenue fixe même si cette extrémité est fixée avec torsion initiale comme c'est le cas pour le fil supérieur <math>\,\big\{</math>on peut vérifier que cette définition correspond bien au schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » car {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{A_0B_0}\;</math>»}} est lié à l'extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil supérieur et «<math>\;\overrightarrow{AB}\;</math>» à l’extrémité mobile <math>\,C\,</math> et il en est de même pour l'éventuel fil de torsion inférieur<math>\big\}</math>.</ref> par rapport à son extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion supérieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} = -C \left( -\theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion inférieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche" /> d’un angle «<math>\;\theta_1 - 0 = \theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil" /> par rapport à l’extrémité <math>\;O_{\text{inf}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion inférieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = -C \left( \theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = -C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur la tige vérifiant «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} + \vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = \vec{0}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur }}la tige est effectivement en équilibre dans cette position <math>\;\ldots</math> {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <math>\,\big\{</math>ensemble solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC"> L'axe <math>\,\Delta_C\,</math> est le support des fils de torsion.</ref> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemb}}le solide étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles"> Repérée par rapport à la position de l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemble solide étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des masselottes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des masselottes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des masselottes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur"> L'angle de torsion du fil supérieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 2\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation"> Il s'agit de l'application de la puissance instantanée développée par un système de forces extérieures sur un solide en rotation autour d'un axe fixe <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d'un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> quand le système de forces extérieures est équivalent à un couple <math>\,\big[</math>c.-à-d. un système dont la résultante est nulle et dont le moment résultant scalaire relativement à l'axe de rotation définit le moment scalaire du couple<math>\big]</math>.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur"> L'angle de torsion du fil inférieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 0 = \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cin%C3%A9tique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d'un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;</math> est le moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et masselottes » en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_C\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre"> Ce qui suppose que <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> est non identiquement nulle <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\theta(t)\,</math> n'est pas une constante c.-à-d. que le solide n'est pas à sa position d'équilibre.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à droite «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta_1\;</math>», équation différentielle linéaire <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants sans terme du 1^er ordre hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_non_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition non énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] », la présence d'un 2^nd membre constant signifiant que le paramètre caractérisant l'oscillateur dans l'espace n'est pas nul à l'équilibre.</ref> de rotation ; {{Al|5}}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Conséquence_«_le_pendule_de_torsion_(non_amorti)_est_un_oscillateur_harmonique_non_amorti_de_rotation_»|conséquence : le pendule de torsion (non amorti) est un oscillateur harmonique non amorti de rotation]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » ; [[File:Pendule de torsion amorti - vue de dessus.png|thumb|300px|Vue de dessus d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti par substitution d'ailettes planes aux masselottes fixées sur la tige <math>\,\big(</math>les fils de torsion supérieur et inférieur <math>\,\perp\,</math> au plan de la figure ne peuvent y être représentés<math>\big)</math>]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> du }}<math>\big(</math>voir vue de dessus partielle représentée ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre étant écarté initialement comme celui de début de paragraphe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, le pendule ci-contre étant écarté initialement }}la tige acquiert donc une position d'équilibre repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}l'ensemble « tige et ailettes » étant un solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC" /> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant }}le solide est, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant le solide est, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}les actions extérieures sont <math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des ailettes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{ailettte}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des ailettes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des ailettes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{ailette}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu dans lequel se déplace le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] exercent sur les ailettes, modélisées par un <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> }}couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Couple_de_frottement_fluide_linéaire_agissant_sur_le_pendule_par_l’intermédiaire_des_ailettes|couple de frottement fluide linéaire agissant sur le pendule par l'intermédiaire des ailettes]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple }}<math>\big[H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}et du fluide sur lequel frottent les ailettes<math>\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide la puissance instantanée }}selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\,</math> est le moment d'inertie du solide « tige + ailettes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et ailettes » en rotation autour de <math>\,\Delta_C\,</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t) - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t) - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1 - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étudié «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta_1\;</math>», équation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}différentielle linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique" /> de rotation ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Loi_horaire_de_position_angulaire_du_pendule_de_torsion_amorti|loi horaire de position angulaire du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ». == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule pesant non amorti à un degré de liberté - forces extérieures.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté <math>\,\big(</math>schématisé ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_non_amorti_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_du_moment_cinétique_scalaire|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant non amorti (à un degré de liberté) par application du théorème du moment cinétique scalaire]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />. {{Al|5}}Ci-contre schéma de face du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] idéale <ref name="liaison idéale"> C.-à-d. dans laquelle on peut négliger les frottements solides.</ref> du solide en rotation autour de l’axe horizontal <math>\,\Delta_O\;</math><ref name="liaison pivot du pendule"> Pour plus de détails voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Présentation_du_pendule_pesant_(non_amorti)_«_P.P.(N.A.)_»|présentation du pendule pesant (non amorti) P.P.(N.A.)]] (liaison pivot avec le point O) » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Non Amorti.</ref> à un degré de liberté ayant un mouvement de rotation imposé par la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] du solide avec l'axe <math>\,\Delta_O</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté }}son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,O</math>, d'axe <math>\,\Delta_O\,</math> orienté par le vecteur unitaire «<math>\;\vec{u}_{\Delta_O}\;</math>» et <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,\color{transparent}{O}</math>, }}de rayon «<math>\;\mathfrak{a}\;</math>» avec, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. }}<math>G\,</math> repéré par son abscisse angulaire «<math>\;\theta_G(t) = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\overrightarrow{OG}(t) \right\rbrace} = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\vec{u}_r(t) \right\rbrace}\;</math>» <ref name="noté theta"> Noté «<math>\;\theta(t)\;</math>» par la suite en absence d'ambiguïté.</ref> ; {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = \left[ \overrightarrow{OG}(t) \wedge m\;\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_O} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids"> Le moment vectoriel du poids par rapport à <math>\,O\,</math> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)\;</math>» a établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_liaison_sphérique_et_avec_les_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b),_établissement_de_la_nature_plane_du_mouvement_du_C.D.I._G_du_P.P.(N.A.)|dans le cas d'une liaison sphérique et avec les C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), établissement de la nature plane du mouvement du C.D.I. G du P.P.(N.A.)]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] », soit «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\varphi_G}(t)\;</math>» avec <math>\,\vec{u}_{\varphi_G}\,</math> s'identifiant à <math>\,\vec{u}_{\Delta_O}</math>. <br>{{Al|3}}On pouvait aussi déterminer directement le moment scalaire du poids, le schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_«_liaison_pivot_»_ou_d’une_«_liaison_sphérique_avec_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b)_»,_nouveau_repérage_adapté_à_la_nature_rotatoire_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_à_un_degré_de_liberté|dans le cas d'une liaison pivot ou d'une liaison sphérique avec C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), nouveau repérage adapté à la nature rotatoire du mouvement du P.P.(N.A.) à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » étant fait avec le paramètre de position angulaire <math>\,\theta > 0</math>, on observe que le poids tend à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,-\,</math> avec un bras de levier <math>\,\big(</math>distance orthogonale séparant l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du support de <math>\,m\;\vec{g}\big)\,</math> égal à <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où, dans le cas où <math>\,\theta\,</math> est <math>\,> 0</math>, {{Nobr|«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)</math>}} <math>= - \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>» <math>\,\Big\{</math>le résultat est indépendant du signe de <math>\,\theta\,</math> mais si le schéma était fait avec <math>\,\theta < 0</math>, on observerait que le poids tendrait à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,+\,</math> avec un bras de levier <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = + \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = m\;g\;\left[ -\mathfrak{a}\; \sin(\theta) \right] = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>», soit effectivement le même résultat <math>\,\big[</math>avec toutefois une possibilité d'erreur si on oubliait que <math>\,\theta < 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert = -\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\big]\Big\}</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_particulier_où_M_est_en_mouvement_circulaire_d'axe_Δ_et_de_vitesse_angulaire_instantanée_Ω(t)|cas particulier où M est en mouvement circulaire d'axe Δ et de vitesse angulaire instantanée Ω(t)]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> de la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I."> Conditions Initiales.</ref> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O"> On a établi dans la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#cite_note-réduction_à_deux_composantes_de_la_réaction_dans_ces_C.I.-18|¹⁸]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » que la réaction du point <math>\,O\,</math> dans l'hypothèse d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] sur le pendule lancé dans les C.I. <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\,</math> ou <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\,</math> s'écrirait <math>\,\vec{R}(t) =</math> <math>R_{\rho_G}(t)\;\vec{u}_{\rho_G}(t) + R_z(t)\;\vec{u}_z</math>, c.-à-d. que la réaction serait dans le plan vertical de lancement soit encore «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» ; <br>{{Al|3}}on établit de même <math>\,\big[</math>sans que cela ait été exposé dans le chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> que la réaction de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le pendule quels que soient les C.I. de lancement compatibles avec la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] s'écrit «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>».</ref> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul"> En effet la force étant <math>\,\perp\,</math> à l'axe par rapport auquel son moment scalaire est évalué est de bras de levier nul.</ref> auquel s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe"> Le couple étant de moment vectoriel <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta_O</math>.</ref> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée à la date <math>\,t\,</math> par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée développée à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|7}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}sans terme du 1^er ordre ; {{Al|5}}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique"> On appelle « [[w:Solution_de_forme_fermée|solution analytique]] » d'une équation différentielle, une expression mathématique <math>\,\big(</math>souvent dite « formule explicite »<math>\big)\,</math> pouvant s'obtenir par une combinaison d'opérations et de [[w:Fonction_de_référence|fonctions de référence]] <math>\,\big(</math>c.-à-d. fonctions affines, puissances, trigonométriques et exponentielles ainsi que leurs fonctions inverses sur un domaine de définition restreint pour lequel il y a bijection et même certaines solutions d'équations différentielles dites de référence<math>\big)</math>, les opérations étant l'addition, la soustraction, la multiplication, la division et l'extraction de racines.</ref> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’élongations_angulaires_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'élongations angulaires non petites]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il est nécessaire de procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="solution analytique dans le cas d'élongations petites"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Cas_particulier_des_«_petites_élongations_angulaires_»,_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_=_oscillateur_harmonique_(non_amorti)_approché_de_rotation,_période_des_«_petites_oscillations_»|cas particulier des petites élongations angulaires, pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) oscillateur harmonique (non amorti) approché de rotation, période des petites oscillations]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. [[File:Pendule pesant amorti à un degré de liberté - forces extérieures - bis.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures, <math>\,I\,</math> étant le point où la résultante des forces de frottement fluide peut être appliquée]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti <math>\,\big(</math>voir coupe partielle représentée ci-contre<math>\big)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire" /> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I." /> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O" /> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul" /> où s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe" /> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu où se déplace le [[w:Pendule_pesant|pendule]] exercent sur ce dernier, modélisées par <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}un couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_O}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti" />{{,}} <ref name="définition de H"> <math>\,H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]], de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frotte le solide.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Amorti.</ref> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0 - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right] - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_O}}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}avec terme linéaire du 1^er ordre ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique" /> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’amplitudes_initiales_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'amplitudes initiales non petites]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il faut procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique - bis"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » nécessitant néanmoins d'ajouter le terme d'amortissement <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A." />. == « En complément », caractère conservatif du couple de torsion, énergie potentielle de torsion et conservation de l’énergie mécanique du pendule de torsion (non amorti) dans le champ de torsion du fil == {{Al|5}}Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » ne sont pas explicités dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » }}il me semble souhaitable de le retenir <math>\,\big(</math>et bien sûr d’être capable de le retrouver<math>\big)</math>. === Caractère conservatif du couple de torsion === {{Al|5}}Le travail élémentaire d’un couple de torsion s’exerçant sur un solide, de vecteur moment «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t) = -C\;\alpha(t)\;\vec{u}_\Delta\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Expression_du_vecteur_moment_du_couple_de_torsion_exercé_par_le_fil_en_fonction_de_l'angle_de_torsion_«_α(t)_»,_notion_de_constante_de_torsion_«_C_»_du_fil_de_torsion|expression du vecteur moment du couple de torsion exercé par le fil de torsion α(t), notion de constante de torsion C du fil de torsion]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> lors d’une torsion élémentaire «<math>\;d \alpha\;</math>» <ref name="définition de Delta et alpha sur le fil de torsion"> <math>\,\Delta\,</math> étant la direction du fil de torsion orienté par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et «<math>\;\alpha\;</math>» l'angle de torsion algébrisé, défini au niveau de la liaison au solide dans le plan <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta\,</math> et orienté par <math>\,\vec{u}_\Delta</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion }}étant défini selon «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>», <math>\,\big[\overline{\Omega}(t)\,</math> étant la vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt}\;</math>», <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \alpha\;</math>»<math>\big]\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> soit finalement <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon }}«<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -C\;\alpha\; d \alpha\;</math>» correspondant à une différentielle de fonction <math>\Rightarrow</math> le <u>caractère conservatif du couple de torsion</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple"> Pour montrer qu’une force est conservative, on évalue son travail élémentaire en prenant un vecteur déplacement élémentaire quelconque <math>\,\overrightarrow{dM}\,</math> à partir du point d'application <math>\,M\,</math> de la force <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#2ème_définition_(équivalente)_d'une_force_«_conservative_»|2^ème définition (équivalente) d'une force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> ; <br>{{Al|3}}lorsqu'il s’agit d'un couple de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, il faut évaluer son travail élémentaire en envisageant une rotation élémentaire quelconque autour de n'importe quelle direction, le couple est alors conservatif si ce travail élémentaire est une différentielle de fonction mais <br>{{Al|3}}{{Transparent|lorsqu'il s'agit d'un couple }}dans le cas d’un couple de torsion de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, la seule direction autour de laquelle peut s’effectuer une rotation élémentaire est celle du fil c.-à-d. celle de <math>\,\vec{\Gamma}\,</math> et par suite la seule condition pour que le couple de torsion soit conservatif est que son travail élémentaire en considérant une rotation élémentaire autour de la direction du fil de torsion soit une différentielle de fonction ou encore que « le moment scalaire du couple de torsion par rapport au fil ne dépende que de l'angle de torsion <math>\,\alpha\;</math>» C.Q.E.R. <math>\,\big(</math>Ce Qui Est Réalisé<math>\big)</math>.</ref>. === Énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion === {{Al|5}}L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,U_{\text{tors}}\,</math> dont « dérive » le couple de torsion de vecteur moment <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}est définie par «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#1ère_définition_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|1^ère définition de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> c.-à-d. «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(\alpha)\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\,</math> ou <math>\,-C\;\alpha\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <math>\Leftrightarrow</math> «<math>\;\dfrac{dU_{\text{tors}}}{d \alpha} = C\;\alpha\;</math>» soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}en intégrant «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2 + cste\;</math>» ; choisissant la référence de l’énergie potentielle de torsion <math>\;U_{\text{tors}}(\alpha)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle"> C.-à-d. l'endroit où l'énergie potentielle est choisie nulle.</ref> <br>{{Al|7}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> en intégrant «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\alpha) = 2\; C\;\alpha^2 + cste}\;</math>» ; choisissant la référence }}quand le fil n’est pas tordu c.-à-d. <math>\,U_{\text{tors}}(0) = 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = 0</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}l'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d’un fil et sa conservation en absence de frottement === [[File:Pendule de torsion sans masselottes - actions exercées.png|thumb|500px|Schéma d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] représenté sans masselottes additives et avec fil inférieur sans torsion avec ajout des actions exercées sur la tige à l'instant <math>\;t</math>]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec un seul fil de torsion, l'autre fil étant sans torsion <math>\,\big(</math>voir schéma ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec un seul fil de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}la seule action extérieure de moment scalaire non nul par rapport à la direction <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}commune du fil de torsion et du fil sans torsion <math>\;\big(</math>orientée par le vecteur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> étant le couple « conservatif » de torsion <ref name="conservativité du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Caractère_conservatif_du_couple_de_torsion|caractère conservatif du couple de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}moment vectoriel «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}} = -C\;\alpha\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion /> auquel on associe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie potentielle de torsion du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre valant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;U_{\text{tors}}(t) =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion énergie potentielle de torsion }}<math>\,\dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_torsion_du_solide_relié_au_fil_de_torsion|énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}son énergie cinétique à la date <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{pend. tors.}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique }}<math>J_{CO_{\text{sup}}}\,</math> est le moment d'inertie du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] relativement à la <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique <math>\color{transparent}{J_{CO_{\text{sup}}}}\,</math> est }}direction du fil de torsion et du fil sans torsion <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à l'instant <math>\,t\,</math> selon «<math>\;E_m(t) = K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Propriétés_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|propriétés de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] (2^ème propriété) » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha_0 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\alpha(0) = \alpha_0\;</math> et <math>\,\dot{\alpha}(0) = 0\;</math>». [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]]]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige <math>\,\big(</math>voir photographie ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec deux fils de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}il y a deux actions extérieures s'exerçant sur le solide « tige + masselottes » de moment scalaire non nul par rapport à <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}la direction commune <math>\,\Delta_C\,</math> des deux fils de torsion <math>\,\big(</math>orientée par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}élémentaire du solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}prouve le <u>caractère conservatif du couple de torsion du fil supérieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}supérieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = -d U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta = -d U_{\text{tors. sup.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. sup.}}}{d \theta} = C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\,</math> qui s'intègre en <math>\,U_{\text{tors. sup.}}</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,= \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> et, en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. sup.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du solide à l'équilibre » c.-à-d. <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre"> Revoir l'explication rappelée dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans le chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil supérieur du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta_1 - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_1 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion"> Symboliquement l'énergie potentielle d'un solide dans le champ de torsion d'un fil de torsion s'obtient, à une constante additive près, par la moitié du produit de la constante de torsion du fil et du carré de l'angle de torsion, à l'instant <math>\;t</math>, du fil au point d'attache du solide.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation élémentaire du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\; \theta(t)\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et prouve le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<u>caractère conservatif du couple de torsion du fil inférieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}inférieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = -d U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\;\theta\;d \theta = -d U_{\text{tors. inf.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. inf.}}}{d \theta} = C\; \theta\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{tors. inf.}} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} + cste_2\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. inf.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position du solide à l'équilibre » c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil inférieur du solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2} + cste_2 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_2 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}finalement l'énergie potentielle globale de torsion du solide « tige + masselottes » <math>\,\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale }}s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = U_{\text{tors. sup.}}(\theta) + U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» ou, en simplifiant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale s'écrit }}«<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2\;</math>» <ref> En effet <math>\,\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + 2\;C\; \theta_1^{\,2} + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + C\; \theta_1^{\,2} = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2</math>.</ref>{{,}} <ref> Cette énergie potentielle de torsion du solide « tige + masselottes » est la même que celle que l'on obtiendrait avec un seul fil de torsion de constante de torsion <math>\,2\,C</math>, l'autre fil étant sans torsion avec la référence en la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>.</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule ci-dessus étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «<math>\;\color{transparent}{K_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#%Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torion par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique de l'ensemble tige + masselottes) » plus haut dans ce chapitre.</ref> avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule }}<math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion des deux fils définie, à l'instant <math>\,t\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie mécanique }}«<math>\;E_m(t) = K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}\! \left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\alpha\;</math>» dans le 1^er exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] ou <br>{{Al|57}}celui «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta - \theta_1 \right]^2 \,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du 2^ème exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|même]] paragraphe <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}étant parabolique, nous retrouvons la <u>2^ème définition d’un oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math>de rotation<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_(équivalente)_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition (équivalente) énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. <br>{{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> de son mouvement dans le 2^ème exemple du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}«<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2 = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>», <br>{{Al|58}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}les C.I. <ref name="C.I." /> étant «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}est donc une <u>ellipse décrite dans le sens horaire</u> <ref name="portrait de phase d'un socillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Tracé_du_portrait_de_phase_de_la_charge_du_condensateur_d'un_«_R_L_C_série_»_soumis_à_un_échelon_de_tension_suivant_le_cœfficient_d'amortissement|propriétés des portraits de phase de la charge du condensateur d'un RLC série soumis à un échelon de tension suivant le cœfficient d'amortissement]] (cas d'un circuit oscillant non amorti en vert) » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. == Conservation de l’énergie mécanique du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) dans le champ de pesanteur uniforme == === Énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant === {{Al|5}}Dans le cas d'un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref><math>\big)</math>, le poids du solide étant la seule action extérieure travaillant et ce dernier étant conservatif <ref name="poids d'un objet conservatif"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Établissement_du_caractère_«_conservatif_»_du_poids_d'un_point_matériel_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|établissement du caractère conservatif du poids d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, }}on lui associe l'énergie potentielle de pesanteur «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta)\;</math>» <ref name="énergie potentielle de pesanteur"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#«_Énergie_potentielle_de_pesanteur_d'un_point_matériel_»_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|énergie potentielle de pesanteur d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> déterminée en intégrant «<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = -dU_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> avec <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)\,</math> travail élémentaire du poids lors d'une rotation élémentaire d'angle <math>\,d \theta = \dot{\theta}(t)\;dt\,</math> autour de <math>\,\Delta_O\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe «<math>\;\color{transparent}{\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)}\,</math>}}<math>= \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;dt = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)\;dt = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;d \theta\;</math>» <ref name="travail élémentaire du poids du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (actions extérieures exercées sur le solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> d'où <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}<math>\,-dU_{\text{pes}} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\;d \theta\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{pes}}}{d \theta}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\,</math> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right) + cste\;</math>» <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}soit, en choisissant comme référence de l'énergie potentielle <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> « la position <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}d'équilibre stable de ce dernier <ref name="équilibre stable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessous de ce dernier.</ref> <math>\,\theta_{\text{éq. stable}} = 0\;</math>» d'où <math>\,U_{\text{pes}}(0) = 0\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}<math>\Rightarrow</math> <math>\,0 = -m\;g\;\mathfrak{a} + cste\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = m\;g\;\mathfrak{a}\,</math> d'où l'expression de <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}l'énergie potentielle de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> se réécrit selon <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta \right) \right]\;</math>» <ref> Pour trouver l'expression de l'énergie potentielle de pesanteur on peut aussi utiliser <math>\,\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = m\;g\;dz_G = -dU_{\text{pes}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{pes}} = -m\;g\;z_G + cste\,</math> sachant que <math>\,z_G = \mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right)\,</math> avec pour position d'équilibre stable <math>\,z_{G,\,\text{éq. stable}} = \mathfrak{a}</math> <math>\;\ldots</math></ref> <math>\,\big(</math>référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : la position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement === {{Al|5}}Considérant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A." /><math>\big)</math>, l'énergie potentielle de pesanteur étant «<math>\;U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right] = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\,</math> avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> <math>\,\theta_{\text{équi. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P."/> » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> et <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie cinétique du solide constituant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique du solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> dans laquelle <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie cinétique}}«<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du solide par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie mécanique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> dans le champ de pesanteur «<math>\;E_m\!(t) = K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) + U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right]</math> <br>{{Al|23}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie mécanique du P.P.N.A. dans le champ de pesanteur «<math>\;\color{transparent}{E_m\!(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{P.P.N.A.}}(t) + U_{\text{pes}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P..P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\,\left[ 1 - \cos(\theta) \right]\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}n'étant pas parabolique <math>\,\big(</math>mais sinusoïdal<math>\big)</math>, nous pouvons affirmer que <u>le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> n'est pas un oscillateur harmonique</u> <math>\,\big(</math>quand il est en situation d'osciller<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <math>\blacktriangleright\;</math>« oscillatoire pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'énergie mécanique initiale du P.P.N.A. vaut «<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^2 + m\;g\; \mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta_0 \right) \right]\;</math>».</ref> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. est }}<math>\blacktriangleright\;</math>« révolutive pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="étude du mouvement d'un P.P.N.A. par diagramme d'énergies"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Étude_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_dans_le_cas_général_des_élongations_angulaires_non_petites_par_diagramme_énergétique|étude du mouvement du P.P.(N.A.) dans le cas général des élongations angulaires non petites par diagramme énergétique]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}de démontrer, avec utilisation simultanée de l'intégrale 1^ère énergétique <ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'intégrale 1^ère énergétique du P.P.N.A. s'écrit «<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^{\,2} + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet de démontrer, }}la nature « périodique <math>\,\big(</math>oscillatoire ou révolutive<math>\big)\;</math>» ainsi que <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}d’établir l’expression de la période sous forme intégrale <math>\ldots</math> {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Les [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d’un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ayant pour équation implicite l’intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\;</math><ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" /> de son mouvement lequel dépend de la valeur de l'énergie mécanique initiale <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />, <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. }}diffèrent suivant <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="différents portraits de phase d'un P.P.N.A."> Voir les paragraphes « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Tracé_des_portraits_de_phase_dans_le_cas_général_«_d'oscillations_ou_de_mouvement_révolutif_»_d'un_P.P.S._lancé_dans_les_C.I._«_1b_U_1a_»|tracé des portraits de phase dans le cas général d'oscillations ou de mouvement révolutif d'un P.P.S. lancé dans les C.I. 1b U 1a]] » du chap.<math>12</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\,\big(</math>l'allure des [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti étant la même que ceux d'un [[w:Pendule_simple|pendule simple]] non amorti<math>\big)\,</math> et « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Différents_portraits_de_phase_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté),_«_bifurcation_»_entre_mouvement_«_pendulaire_»_et_révolutif|différents portraits de phase du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté), bifurcation entre mouvement pendulaire et révolutif]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>pendulaire</u> <ref name="pendulaire"> Adjectif synonyme d'« oscillatoire ».</ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>fermé</u>, décrit dans le « <u>sens horaire</u> » <ref name="justification du sens horaire"> Ou « trigonométrique indirect », en effet « quand <math>\,\dot{\theta}\,</math> est <math>\,> 0</math>, <math>\,\theta \nearrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \nearrow\,</math> puis <math>\,\searrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule » ensuite «<math>\;\dot{\theta}\,</math> est <math>\,< 0</math>, correspondant à <math>\,\theta \searrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \searrow\,</math> puis <math>\,\nearrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule de nouveau » <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}avec le point «<math>\;\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)\;</math>» comme « <u>centre de </u>{{Nobr|<u>symétrie</u> » <ref name="justification du centre de symétrie"> Invariance de l’équation en changeant «<math>\;\theta\,</math> en <math>\,-\theta\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des vitesses angulaires <math>\,\big(</math>en fait antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>» et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Invariance de l’équation }}en changeant «<math>\;\dot{\theta}\,</math> en <math>\,-\dot{\theta}\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des abscisses angulaires <math>\,\big(</math>là encore c'est une antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|3}}l’association des deux symétries axiales <math>\,\big(</math>ou plutôt des deux antisymétries axiales<math>\big)\,</math> donnant un centre de symétrie pour l'intersection des deux axes <math>\,\big[</math>le point d'intersection des deux axes étant réellement une symétrie centrale <math>\,\big(</math>et non une antisymétrie centrale<math>\big)</math>.</ref>}} <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, avec le point «<math>\;\color{transparent}{\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)}\;</math>» }}correspondant à la position d’équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /> du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ; <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> }}<math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>révolutif</u>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>ouvert</u>, constitué de la <u>répétition du motif de l'intervalle</u><math>\;\left] -\pi\, , \, \pi \right]</math>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase }}répété <math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \nearrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} > 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 > 0\;</math>» ou <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase répété }}<math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \searrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} < 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 < 0\;</math>», <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)\;</math>» et celui avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,-\dot{\theta}_0 > 0 \right)\;</math>» <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, le portrait de phase avec C.I. «<math>\;\color{transparent}{\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)}\;</math>» }}étant <u>antisymétriques</u> l'un de l'autre, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>maxima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre stable</u> <ref name="équilibre stable du P.P." /> «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres stables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» ;<br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}\;</math>»<math>\big)\;</math> alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big)</math>.</ref> et <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>minima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre instable</u> <ref name="équilibre instable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessus de ce dernier.</ref> «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;</math> <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, les minima de<math>\;\color{transparent}{\vert \dot{\theta} \vert}\;</math>obtenus pour les positions d’équilibre instable «<math>\;\color{transparent}{\theta_{\text{éq. inst.}} =}</math> }}<math>\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres instables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = -\left( 2\;p' + 1 \right)\, \pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big[</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big]\;</math>.</ref>. == « Généralisation » à tout « solide » : « théorème de la variation de l’énergie mécanique » et la forme locale associée « le théorème de la puissance mécanique », application au cas d’un solide amorti == {{Al|5}}Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à la généralisation à tout système de points matériels ou continu de matière « indéformable » <ref name="solide au sens de la mécanique" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à }}la généralisation aux systèmes de points matériels ou continus de matière « déformables » sera faite dans le chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Lois_de_l'énergie_cinétique_pour_un_système_déformable_de_points_matériels#«_En_complément_»,_théorème_de_la_variation_de_l’énergie_mécanique_appliqué_à_un_système_de_matière_déformable_dans_le_champ_des_forces_extérieures_et_intérieures_conservatives_et_sa_forme_locale_«_le_théorème_de_la_puissance_mécanique_»|en complément : théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un système de matière déformable dans le champ des forces extérieures et intérieures conservatives et sa forme locale le théorème de la puissance mécanique]] » du chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. === Théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s’écrivant «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\bullet\;</math>celles qui sont conservatives <math>\,\big(</math>lesquelles « dérivent » d’une énergie potentielle<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{ransparent}{\bullet}\;</math>}}dont le travail pendant cette durée finie est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées }}<math>\bullet\;</math>celles qui sont non conservatives <ref name="non conservatives"> Ou, si elles sont conservatives, dont on ne considère pas le caractère « conservatif ».</ref> dont le travail pendant cette durée finie <br>{{Al|12}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>celles qui sont non conservatives dont }}est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}d'où «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou, avec «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, }}<math>\big(U_{\text{ext}}\,</math> étant l'énergie potentielle dont dérivent les forces conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, <math>\color{ransparent}{\big(}</math>}}définie à une constante additive près précisée par choix de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}<math>\Rightarrow</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» d’où la réécriture du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « solide <math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\left( \mathcal{S} \right)} + U_{\text{ext}} \right] = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» où on reconnaît dans le 1^er membre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}la variation de l’énergie mécanique «<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t) + U_{\text{ext}}\!(t)\;</math>» du solide «<math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le champ des forces conservatives sur la durée <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> dans le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où dans le champ des forces conservatives }}référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen d'où, finalement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}le lien entre la variation de l'énergie mécanique du « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;\Delta E_m = E_{m,\,\mathcal{F}} - E_{m,\,\mathcal{I}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» le lien }}le travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> sur cette même durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}«<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» applicable à un solide dans un référentiel d’étude galiléen, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}l'énoncé du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie dans un référentiel galiléen <ref> Ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. sous la forme où il existe des forces extérieures non conservatives dissipatives mais, comme le cas où toutes les forces extérieures travaillant sont conservatives est clairement explicité <math>\,\big(</math>sous la forme de la conservation de l’énergie mécanique du solide<math>\big)</math>, le cas où il existe des forces extérieures travaillant et non conservatives <math>\,\big(</math>comme des forces de frottement<math>\big)\,</math> s’appliquant à un solide peut difficilement être ignoré d'où l'ajout du théorème sous sa forme la plus générale <math>\;\ldots</math></ref>. : {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}<math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <math>\,K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation «<math>\;\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» }}égale au travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale au travail }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire dans un référentiel galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique }}se déduit aisément de sa forme sur une durée finie soit {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}conservatives <math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}<math>K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> <math>\color{transarent}{K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)}\,</math> l'énergie cinétique }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation élementaire«<math>\;d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t)\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» }}égale au travail élémentaire des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» égale au travail }}appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;d E_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide }}est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée finie ou élémentaire se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>». === Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de la puissance mécanique est la forme locale associée à la forme intégrée <ref name="forme intégrée de forme locale" /> “ théorème de la variation de l'énergie mécanique sur une durée finie ou élémentaire ” ; {{Al|5}}pour obtenir cette forme locale on écrit le théorème de la variation de l’énergie mécanique d’un solide dans le champ des forces extérieures conservatives entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math><ref> C.-à-d. la forme élémentaire du théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un solide.</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on écrit }}«<math>\;dE_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\,</math> dans un référentiel galiléen » puis, <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on divise les deux membres par <math>\,dt\,</math> soit «<math>\;\dfrac{dE_m}{dt} = \dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{dE_m}{dt}\;</math>» est la dérivée temporelle de l’énergie mécanique du solide dans le champ des forces extérieures conservatives définissant <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}la puissance mécanique du solide à l'instant <math>\,t\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives, notée «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» la puissance instantanée développée, à l'instant <math>\,t</math>, par les forces extérieures non conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}appliquées au solide notée «<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on obtient «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» d'où l'énoncé du théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen : {{Théorème|titre=Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide »|contenu = {{Al|5}}La puissance mécanique à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> <math>\big[</math>avec, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie mécanique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{ext}}(t)}\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces }}conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math>» l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique }}est égale à la puissance instantanée développée par les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique est égale à }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> au même instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide à un instant <math>\,t\,</math> quelconque se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}c.-à-d., après intégration, « la conservation de l’énergie mécanique du solide précédemment défini ». === Application au cas d’un solide amorti === {{Al|5}}Parmi les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées à un solide et travaillant, « les plus fréquentes sont dissipatives » <ref> Mais elles peuvent aussi être motrices par exemple, si nous souhaitons que les oscillations d’un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ou d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] perdurent alors qu’existent naturellement des frottements {{Nobr|<math>\,\big(</math>même}} minimes<math>\big)</math>, il est nécessaire de les entretenir à l’aide d’une force extérieure motrice compensant les forces de frottement, cette force motrice étant alors usuellement non conservative tout comme le sont les forces de frottement.</ref> comme les forces de frottement fluide <math>\,\big(</math>ou solide<math>\big)</math> ; {{Al|5}}si les seules forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> travaillant sont des forces de frottement s'exerçant sur un solide en mouvement dans un référentiel galiléen, <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces }}conservatives <ref name="théorème de la puissance mécanique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_la_puissance_mécanique_appliqué_à_un_«_solide_»|théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}s’écrivant «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{frott}}\!(t) < 0\;</math>» dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}l'énergie mécanique de ce solide «<math>\;E_m(t) \searrow\,</math> au sens strict » avec <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}</math> <math>\big(</math>il est qualifié d'« amorti »<math>\big)</math>. ==== Cas particulier du pendule de torsion amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] dont la photographie est dans un « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|paragraphe plus haut dans ce chapitre]] » mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}avec les masselottes remplacées par des ailettes comme présenté dans le schéma de vue de dessus de la « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|remarque du paragraphe précité]] », <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d'un fil et sa conservation en absence de frotemment]] (2^ème exemple) » plus haut dans ce chapitre dans lequel <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> doit être remplacée par <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})</math>.</ref> dans le référentiel <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « }}<math>\big\{</math>avec <math>\,U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> la position d'équilibre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « <math>\color{transparent}{\big\{}</math>avec <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2}\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence }}du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}on en déduit la puissance mécanique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;\dot{E}_m(t) = J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + 2\;C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]\,\dot{\theta}(t)\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}la puissance du couple de frottement fluide linéaire <math>\,\big(</math>seules forces extérieures non conservatives travaillant de moment scalaire par rapport à l'axe de rotation du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion la puissance du couple de frottement fluide linéaire <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>}}<math>\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion" />, <math>\,H\,</math> étant une constante positive <ref> Exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frottent les ailettes.</ref><math>\big)\,</math> <br>{{Al|6}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion la puissance du couple de frottement fluide linéaire }}agissant sur les ailettes du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étant «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] (remarque : actions extérieures exercées sur l'ensemble “ tige et ailettes ”) » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}le théorème de la puissance mécanique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» ou <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» ou encore, <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + 2\;C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]\,\dot{\theta}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}après simplication par <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> non identiquement nulle <ref name="hors position d'équilibre" /> et normalisation <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <ref> Identique à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Identique }}à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] (2^ème exemple où les masselottes sont remplacées par des ailettes) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <center>«<math>\;\ddot{\theta}(t) + + \dfrac{H}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta_1\;</math>».</center> ==== Cas particulier du pendule pesant à un degré de liberté amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] à un degré de liberté dont le schéma est dans un « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|paragraphe plus haut dans le chapitre]] » dans lequel <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}des frottements fluides linéaires agissent sur le [[w:Pendule_pesant|pendule]] comme présentées dans le schéma de la « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|remarque du paragraphe précité]] », <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}l'énergie mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frotemment]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> dans le référentiel <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté l'énergie mécanique du P.P.A. étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « }}<math>\big\{</math>avec <math>\,U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\,</math> l'énergie potentielle de pesanteur <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté l'énergie mécanique du P.P.A. étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « <math>\color{transparent}{\big\{}</math>}}la position d'équilibre stable du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> <math>\,\theta_{\text{équi. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P."/><math>\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}on en déduit la puissance mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." />, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;\dot{E}_m(t) = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \sin\! \left[ \theta(t) \right]\,\dot{\theta}(t)\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}la puissance des forces de frottement fluide linéaire <math>\,\big(</math>seules forces extérieures non conservatives travaillant de moment scalaire par rapport à l'axe de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté la puissance des forces de frottement fluide linéaire <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>}}rotation du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] <math>\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_O}(t) = -H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="moment scalaire des forces de frottement fluide sur pendule pesant"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <math>\,H\,</math> étant une constante positive <ref> Exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]], de la forme de celui-ci par rapport à l'axe et du fluide sur lequel il frotte.</ref><math>\big)\,</math> <br>{{Al|6}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté la puissance des forces de frottement fluide linéaire }}agissant sur le [[w:Pendule_pesant|pendule]] étant «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_O}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (remarque : actions extérieures exercées sur le solide du pendule) » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» ou <br>{{Al|19}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» ou encore, <br>{{Al|19}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \sin\! \left[ \theta(t) \right]\,\dot{\theta}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou <br>{{Al|19}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}après simplication par <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> non identiquement nulle <ref name="hors position d'équilibre" /> et normalisation <br>{{Al|19}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] amorti <ref> Identique à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Identique }}à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (remarque établissement de l'équation différentielle du P.P.A.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + + \dfrac{H}{J_{\Delta_O}}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>». == Notes et références == <references /> {{Bas de page | idfaculté = physique | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie|Approche énergét. du mouv. d'un sol. en rotat. autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels|Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels]] }} loas403hb6gflgj0pfdzjpd7ipmhhuh 987956 987955 2026-11-01T04:10:26Z Phl7605 31541 /* Cas particulier du pendule pesant à un degré de liberté amorti par frottement fluide linéaire */ 987956 wikitext text/x-wiki {{Chapitre | idfaculté = physique | numéro = 12 | niveau = 14 | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie/]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels/]] }} <center>Ce chapitre est traité dans le cadre de la dynamique newtonienne avec ajout de quelques éléments de dynamique relativiste.</center> == Théorème de l'énergie cinétique d’un système de matière, cas d’un solide en rotation autour d’un axe fixe == {{Al|5}}Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}est évidemment à connaître comme forme intégrée de la forme locale <ref name="forme intégrée de forme locale"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Lois_de_la_puissance_et_de_l'énergie_cinétiques#Différence_entre_«_forme_locale_de_la_dynamique_»_et_«_forme_intégrée_associée_à_cette_forme_locale_»|différence entre forme locale de la dynamique et forme intégrée associée à cette forme locale]] » du chap.<math>15</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> « théorème de la puissance <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}cinétique d'un système de matière » laquelle est inscrite explicitement dans le programme <math>\;\ldots</math> === Définition du travail du système des forces extérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque"> Par « système de matière quelconque » il faut entendre « système fermé discret de points matériels ou continu de matière » « déformable ou non ».</ref> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1"> A priori <math>\,N\,</math> pourrait être égal à <math>\,1\,</math> mais ce ne serait plus un système de points matériels mais un simple point matériel.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes"> C.-à-d. l’ensemble des paramètres de position et de vitesse de tous les points à l'instant de définition de l'état, tous ces paramètres permettant d’y décrire le système.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> entre }}l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Expression_du_travail_élémentaire_de_la_force_dont_le_point_d’application_subit_le_vecteur_déplacement_élémentaire_correspondant_à_la_durée_élémentaire_de_développement_de_sa_puissance|expression du travail élémentaire de la force dont le point d'application subit le vecteur déplacement élémentaire correspondant à la durée élémentaire de développement de sa puissance]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - bis"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="infiniment proches"> Instants infiniment proches.</ref>, son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité volumique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance volumique <math>\,\mathcal{P}_{\text{vol},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t)</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité surfacique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance surfacique <math>\,\mathcal{P}_{\text{surf},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) =</math>}} <math>\sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité linéique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance linéique <math>\,\mathcal{P}_{\text{lin},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right] dt\;</math>».</ref>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« chaque point <math>\,\color{transparent}{M_i}\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> entre «<math>\;\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\;</math>» }}son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\,</math> étant aussi tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces extérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces extérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" />. === Définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est également présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2"> Pour l'existence de forces intérieures appliquées à un système, <math>\,N\,</math> doit être évidemment <math>\,\geqslant\,</math> à <math>\,2</math>.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes" /> et l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" /> sachant que <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir }}le système des forces intérieures s'exerçant sur le système discret fermé de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le système des forces intérieures }}est défini comme « l'ensemble des forces <math>\,\vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t)\,</math> que chaque point <math>\,M_j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, exerce sur chaque point <math>\,M_i,\;\;i \neq j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math>» <ref name="système de forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Forces,_principe_des_actions_réciproques#Système_des_forces_intérieures_s’exerçant_sur_un_système_de_points_matériels_fermé|système des forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math> entre les instants <math>\;t\;</math> et <math>\;t + dt\;</math> selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i} \right]\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - ter"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> dans lequel, chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \mu(M')\;d \mathcal{V}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bivolumique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}}{d \mathcal{V}_{M'}\;d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \sigma(M')\;d S_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\;</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bisurfacique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}}{d S_{M'}\;d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \lambda(M')\;d \mathit{l}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\;\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bilinéique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}}{d \mathit{l}_{M'}\;d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace dt\;</math>».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces intérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces intérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière" />. {{Al|5}}<u>Remarque 1</u> : Le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures }}peut aussi être défini à partir de la puissance instantanée développée par les forces intérieures s’exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="définition de la puissance développée par les forces intérieures"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Définition_2|définition]] (de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures peut aussi être défini }}selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - tetra"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : }}le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}s'obtenant en ajoutant tous les travaux élémentaires de <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}peut se calculer à partir de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> peut se calculer }}par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>». {{Al|5}}<u>Remarque 2</u> : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math><ref name="définition du référentiel Rj"> Le référentiel «<math>\;\mathcal{R}_j\;</math>» est le référentiel lié à <math>\,M_j\,</math> en translation par rapport au référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#cite_note-puissance_des_forces_intérieures_s'exerçant_sur_système_continu_de_matière_-_ter-55|⁵⁵]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> dans le référentiel <math>\,\color{transparent}{\mathcal{R}}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}_{\text{int}}(t)}</math> }}<math>= \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Autres_expressions_équivalentes|autres expressions équivalentes]] de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj"> Le point <math>\,M_i\,</math> décrivant dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_j</math> <math>\,\big[</math>lié à <math>\,M_j\,</math> et en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\big]\,</math> une trajectoire particulière <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}\;</math> entre les deux instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t)\big]\,</math> étant tangent à <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}</math>.</ref> ou <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures «}}<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right]\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : }}de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière" />{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" />{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" />. {{Al|5}}<u>Remarque 3</u> : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nulle <ref name="puissance des forces intérieures en général non nulle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (1^ère conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu"> Système discret de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique"> Le système se comporte donc comme un solide au sens de la mécanique.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures nulle pour un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (3^ème conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = 0\;\;\forall\;t\,</math> pour <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = 0\;\;\forall\;\left[ t\,,\,t + dt \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> le devient }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = 0\;\;\forall\;\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> ». === Théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Partant du théorème de la puissance cinétique appliqué, à l'instant <math>\,t</math>, à un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Énoncé|énoncé]] du théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> dans lequel <math>\,\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math> est la puissance cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{ext}}(t)\,</math> la puissance développée par les forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\,</math> celle développée par les forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la même date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on multiplie par <math>\,dt\,</math> pour obtenir la forme élémentaire du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir la forme élémentaire }}entre «<math>\;t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\;</math>» où <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> est la variation élémentaire d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{ext}}\,</math> le travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{int}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur le même <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on intègre entre <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique }}entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec <math>\,\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\,</math> variation d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\,</math> }}sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> le travail des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> le travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> celui des forces intérieures }}sur le même <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>. {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> étant nul quel que soit le mouvement du système » <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Définition_du_travail_du_système_des_forces_intérieures_appliquées_à_un_«_système_de_matière_»_entre_un_état_initial_et_un_état_final|définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un système de matière entre un état initial et un état final]] (remarque 3) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul }}<math>\Rightarrow</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide sous sa forme élémentaire ou <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide }}sur une durée finie : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière en translation » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière"> Système fermé discret fermé de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> en translation » <ref name="système en translation"> Un « système de matière en translation » ne se déformant pas peut aussi être qualifié de « solide » au sens de la mécanique.</ref>, tous les points ont le même vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> égal à celui du C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> <math>\,G\,</math> du système, d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\!G}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <ref name="signification du travail élémentaire développé par les forces extérieures appliquées à un système en translation"> Dans cette 3^ème expression «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» est aussi « le travail élémentaire qui serait développé, sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\,t + dt \right],</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>, par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans <math>\,\mathcal{R}\;</math>» <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», ce dernier s'obtenant par application du théorème du mouvement du C.D.I. <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Principe_fondamental_de_la_dynamique_et_théorème_de_la_résultante_cinétique#Énoncé_du_théorème_(dynamique_newtonienne)|énoncé du théorème (dynamique newtonienne)]] du mouvement du C.D.I. d'un système » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> correspondant aussi à l'application de la r.f.d.n. <math>\,\big(</math>relation fondamentale de la dynamique newtonienne<math>\big)\,</math> au point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>» sur lequel s'exercerait la résultante dynamique<math>\big\}</math>.</ref> dans laquelle «<math>\;\vec{F}_{\text{ext}}(t)\;</math> est la résultante <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}«}}dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» <ref> Voir les paragraphes « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_en_translation_»|cas d'un système de matière en translation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » et « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissancce développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces intérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{int},\,\text{syst. en transl.}} = 0\;</math>» <ref name="système en translation" />{{,}} <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>de la variation élémentaire de l'énergie cinétique du système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en transl.}}\;</math>» avec «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="signification de l'énergie cinétique d'un système en translation"> Dans cette 2^ème expression «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» est aussi « l'énergie cinétique newtonienne du point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans {{Nobr|<math>\,\mathcal{R}\,</math>»}} <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», tous les points du système en translation ayant même vitesse que le C.D.I. <math>\,G\big\}</math>.</ref> l'énergie cinétique <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, dans le cadre de la cinétique newtonienne <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en translation"> Voir le paragraphe « énergie cinétique dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Cas_d'un_système_en_translation|cas d'un système en translation]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique }}appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" />{{, }} <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque dans un référentiel galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> nous obtenons : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un référentiel <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière en translation <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> étant le C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> et <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =}</math> }}la résultante dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\,</math> ou <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste"> Applicable sous cette forme dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste.</ref> avec <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="système fermé de matière" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système en translation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =</math> <math>K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail effectué par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail effectué par la résultante dynamique }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <br>{{Al|208}}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Ce théorème <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais il doit bien sûr être connu <ref> Sans doute ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. car on considère usuellement un système de matière en translation comme un point matériel <math>\,\big(</math>le C.D.I. <math>\,G\,</math> du système<math>\big)\,</math> sur lequel s'exerce la résultante dynamique du système et, selon ce point de vue, le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un système de matière en translation n'est rien d'autre que le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un point matériel, lequel est, quant à lui, au programme <math>\;\ldots</math></ref>. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}<u>Préliminaire</u> : Un « système <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » peut, a priori, se déformer <ref name="système en rotation autour d'un axe"> Par exemple, en se dilatant, c.-à-d. que chaque point du système, en plus de sa rotation autour d'un axe fixe, s'éloigne radialement de cet axe <math>\,\big(</math>la vitesse d'éloignement pouvant être différente d'un point à un autre<math>\big)\,</math> mais dans ce cas il ne s'agit pas d'une rotation « pure » <math>\;\ldots</math> <br>{{Al|3}}Pour maintenir une même vitesse angulaire à un instant <math>\,t\,</math> pour tous les points d'un « système déformable », il faut que le mouvement orthoradial de chacun des points soit corrélé au mouvement radial correspondant, avec absence de mouvement axial, c.-à-d. que, pour deux points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> tels que la droite <math>\,M_iM_j\,</math> recoupe l'axe <math>\,\Delta\,</math> perpendiculairement en <math>\,H_{i,\,j}</math>, <math>\,\big[</math>les points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> ayant donc même abscisse angulaire <math>\,\theta_{i,\,j}(t)\big]\,</math> on ait <math>\,\dot{\theta}_{i,\,j}(t) = \overline{\Omega}(t)</math> <math>\,\big[</math>donc indépendant de <math>\,\left( i\,,\, j \right)\big]\,</math> pour tout instant <math>\,t\,</math> et pour tout couple <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> dont les éléments ont même abscisse angulaire, ces conditions étant très contraignantes sont quasiment jamais réalisées naturellement <math>\;\ldots</math></ref>, toutefois, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Préliminaire : un « système <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>fermé<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » }}il est, en pratique, indéformable et est alors qualifié de « solide » au sens de la mécanique ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Préliminaire : }}l’exposé ci-dessous s'applique à un système discret <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de points matériels ou un système continu <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}<u>Exposé</u> : Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière" /> indéformable, en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe <math>\,\Delta</math>, fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen », <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}tous les points ont le même vecteur rotation instantanée <math>\,\vec{\Omega}(t) = \overline{\Omega}(t)\;\vec{u}_{\Delta}\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\big[\vec{u}_{\Delta}\,</math> étant le vecteur unitaire orientant l'axe de rotation <math>\,\Delta\,</math> et <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\big[}</math>}}autour de cet axe de rotation <math>\,\Delta\big]\,</math> d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe"> Expression ne nécessitant pas que l'axe <math>\,\Delta\,</math> soit fixe, la fixité de l'axe dans un référentiel intervenant quand ce dernier est galiléen et quand on utilise l'un des théorèmes fondamentaux de la dynamique de rotation des systèmes <math>\,\big\{</math>par exemple le théorème de l'énergie cinétique établi dans ce paragraphe mais le traavail élémentaire déveeloppé par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» ne nécessite pas que <math>\,\Delta\,</math> soit fixe<math>\big\}</math>.</ref>{{,}} <ref name="travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur un système en rotation"> Voir le paragraphe « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> {{Nobr|«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)</math>}} <math>= \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;</math>» et le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\delta W\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right] = \mathcal{P}\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right]\;dt\;</math>» puis, en faisant la somme membre à membre de façon à définir le travail élémentaire du sytème des forces extérieures s'exerçant sur le système en rotation «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)\;dt\;</math>».</ref> où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> est le moment <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» ou, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>du travail élémentaire }}avec «<math>\;\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta\;</math>» dans lequel <math>\,\theta(t)\,</math> est l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, la réécriture <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>,«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>de la variation de l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}}\;</math>» avec, l'énergie cinétique, à l'instant <math>\,t</math>, de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le cadre de la cinétique newtonienne «<math>\;K_{\text{syst. en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en rotation autour d'un axe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d’un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d’un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> avec «<math>\;J_\Delta\,</math> le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}relativement à <math>\,\Delta\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe"> Voir la notion de moment d'inertie d'un système discret ou continu dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Application_à_un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe#Application_au_cas_d'un_«_système_fermé_de_matière_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe_«_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|application d'un système fermé de matière en rotation autour d'un axe Δ fixe quelconque dans un référentiel d'étuide galiléen]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> d'où, en cinétique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> appliqué à un solide <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_solide_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d'un système }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> avec «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» et «<math>\;\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <math>\,\overline{\Omega}(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}<math>= \dot{\theta}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> encore égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>avec <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> et <math>\,\theta(t)\,</math> l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" />, sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail du moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail du }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[\theta(t)\,</math> étant l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation est égale au travail du «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[\theta}\,</math> étant l'abscisse angulaire }}à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> étant le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = 2\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)}\;</math>» <math>\,\big[</math>}}<math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] <math>\,\big(</math>photographié ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_(non_amorti)|mise en équation différentielle du mouvement du pendule de torsion (non amorti)]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Théorème_de_la_puissance_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_autour_d'un_axe_Δ_fixe_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe dans un référentiel d'étude galiléen]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. {{Al|5}}Ci-contre le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec deux fils de torsion identiques de même constante de torsion «<math>\;C\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec }}positions de masselottes identiques <math>\,\big(</math>sauf pour la couleur<math>\big)\,</math> de part et d'autre du point <math>\,C\,</math><ref name="distinction entre point d'attache des fils sur la tige et constante de torsion des fils"> On accepte la même notation pour le point d'attache des deux fils sur la tige et la constante de torsion de ces derniers tant qu'il n'y a pas d'ambiguïté <math>\,\big(</math>ce qui ne devrait jamais arriver compte-tenu du fait que ces deux grandeurs sont de nature différente<math>\big)</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec positions de masselottes identiques }}<math>\,\big(C\,</math> point d’attache des deux fils de torsion sur la tige<math>\big)</math> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre <math>\,\big(</math>en absence de masselottes<math>\big)\,</math> diffère du « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] » de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici l'extrémité supérieure <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil de torsion supérieur est mobile au lieu d'être fixe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur étant dans les deux fixe et <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici la torsion initiale est fournie par rotation propre de <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> d'un angle «<math>\;2\,\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>repéré sur le cercle gradué lié à <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}</math>, position de référence du cercle gradué<math>\big)\,</math> <math>\Rightarrow</math> en pratique, après quelques oscillations, la tige <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}acquiert la position d'équilibre repérée par l'angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>voir vérification ci-dessous<math>\big)\,</math> alors que <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] la torsion initiale est fournie par rotation de la tige d'un angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>également repéré <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>dans le pendule du chap.7 }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}\big)</math>, la position d'équilibre de la tige étant repérée par l'angle nul ; {{Al|5}}<u>vérification de la position d'équilibre de la tige dans le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}orientant les deux fils de torsion du bas vers le haut, quand la tige acquiert la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion supérieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche"> Une hélice est « droite » si le point tourne sur la gauche <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique direct ou encore dans le sens antihoraire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée et <br>{{Al|31}}elle est « gauche » si le point tourne sur la droite <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique indirect ou encore dans le sens horaire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée <br>{{Al|3}}<math>\,\big[</math>revoir aussi la distinction « hélices gauche ou droite » dans le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Mouvement_de_particules_chargées_dans_des_champs_électrique_et_magnétique_:_Cas_particulier_d'un_champ_magnétostatique_uniforme#Nature_hélicoïdale_uniforme_du_mouvement_de_la_particule|nature hélicoïdale uniforme du mouvement de la particule]] » du chap.<math>24</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> d'un angle «<math>\;\theta_1 - 2\;\theta_1 = -\theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil"> L'angle de torsion du fil qui intervient dans le vecteur moment du couple de torsion est l'angle que fait l'extrémité mobile relativement à l'extrémité maintenue fixe même si cette extrémité est fixée avec torsion initiale comme c'est le cas pour le fil supérieur <math>\,\big\{</math>on peut vérifier que cette définition correspond bien au schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » car {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{A_0B_0}\;</math>»}} est lié à l'extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil supérieur et «<math>\;\overrightarrow{AB}\;</math>» à l’extrémité mobile <math>\,C\,</math> et il en est de même pour l'éventuel fil de torsion inférieur<math>\big\}</math>.</ref> par rapport à son extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion supérieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} = -C \left( -\theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion inférieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche" /> d’un angle «<math>\;\theta_1 - 0 = \theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil" /> par rapport à l’extrémité <math>\;O_{\text{inf}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion inférieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = -C \left( \theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = -C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur la tige vérifiant «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} + \vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = \vec{0}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur }}la tige est effectivement en équilibre dans cette position <math>\;\ldots</math> {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <math>\,\big\{</math>ensemble solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC"> L'axe <math>\,\Delta_C\,</math> est le support des fils de torsion.</ref> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemb}}le solide étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles"> Repérée par rapport à la position de l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemble solide étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des masselottes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des masselottes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des masselottes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur"> L'angle de torsion du fil supérieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 2\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation"> Il s'agit de l'application de la puissance instantanée développée par un système de forces extérieures sur un solide en rotation autour d'un axe fixe <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d'un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> quand le système de forces extérieures est équivalent à un couple <math>\,\big[</math>c.-à-d. un système dont la résultante est nulle et dont le moment résultant scalaire relativement à l'axe de rotation définit le moment scalaire du couple<math>\big]</math>.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur"> L'angle de torsion du fil inférieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 0 = \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cin%C3%A9tique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d'un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;</math> est le moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et masselottes » en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_C\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre"> Ce qui suppose que <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> est non identiquement nulle <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\theta(t)\,</math> n'est pas une constante c.-à-d. que le solide n'est pas à sa position d'équilibre.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à droite «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta_1\;</math>», équation différentielle linéaire <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants sans terme du 1^er ordre hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_non_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition non énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] », la présence d'un 2^nd membre constant signifiant que le paramètre caractérisant l'oscillateur dans l'espace n'est pas nul à l'équilibre.</ref> de rotation ; {{Al|5}}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Conséquence_«_le_pendule_de_torsion_(non_amorti)_est_un_oscillateur_harmonique_non_amorti_de_rotation_»|conséquence : le pendule de torsion (non amorti) est un oscillateur harmonique non amorti de rotation]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » ; [[File:Pendule de torsion amorti - vue de dessus.png|thumb|300px|Vue de dessus d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti par substitution d'ailettes planes aux masselottes fixées sur la tige <math>\,\big(</math>les fils de torsion supérieur et inférieur <math>\,\perp\,</math> au plan de la figure ne peuvent y être représentés<math>\big)</math>]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> du }}<math>\big(</math>voir vue de dessus partielle représentée ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre étant écarté initialement comme celui de début de paragraphe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, le pendule ci-contre étant écarté initialement }}la tige acquiert donc une position d'équilibre repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}l'ensemble « tige et ailettes » étant un solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC" /> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant }}le solide est, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant le solide est, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}les actions extérieures sont <math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des ailettes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{ailettte}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des ailettes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des ailettes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{ailette}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu dans lequel se déplace le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] exercent sur les ailettes, modélisées par un <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> }}couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Couple_de_frottement_fluide_linéaire_agissant_sur_le_pendule_par_l’intermédiaire_des_ailettes|couple de frottement fluide linéaire agissant sur le pendule par l'intermédiaire des ailettes]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple }}<math>\big[H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}et du fluide sur lequel frottent les ailettes<math>\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide la puissance instantanée }}selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\,</math> est le moment d'inertie du solide « tige + ailettes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et ailettes » en rotation autour de <math>\,\Delta_C\,</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t) - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t) - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1 - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étudié «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta_1\;</math>», équation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}différentielle linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique" /> de rotation ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Loi_horaire_de_position_angulaire_du_pendule_de_torsion_amorti|loi horaire de position angulaire du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ». == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule pesant non amorti à un degré de liberté - forces extérieures.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté <math>\,\big(</math>schématisé ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_non_amorti_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_du_moment_cinétique_scalaire|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant non amorti (à un degré de liberté) par application du théorème du moment cinétique scalaire]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />. {{Al|5}}Ci-contre schéma de face du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] idéale <ref name="liaison idéale"> C.-à-d. dans laquelle on peut négliger les frottements solides.</ref> du solide en rotation autour de l’axe horizontal <math>\,\Delta_O\;</math><ref name="liaison pivot du pendule"> Pour plus de détails voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Présentation_du_pendule_pesant_(non_amorti)_«_P.P.(N.A.)_»|présentation du pendule pesant (non amorti) P.P.(N.A.)]] (liaison pivot avec le point O) » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Non Amorti.</ref> à un degré de liberté ayant un mouvement de rotation imposé par la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] du solide avec l'axe <math>\,\Delta_O</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté }}son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,O</math>, d'axe <math>\,\Delta_O\,</math> orienté par le vecteur unitaire «<math>\;\vec{u}_{\Delta_O}\;</math>» et <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,\color{transparent}{O}</math>, }}de rayon «<math>\;\mathfrak{a}\;</math>» avec, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. }}<math>G\,</math> repéré par son abscisse angulaire «<math>\;\theta_G(t) = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\overrightarrow{OG}(t) \right\rbrace} = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\vec{u}_r(t) \right\rbrace}\;</math>» <ref name="noté theta"> Noté «<math>\;\theta(t)\;</math>» par la suite en absence d'ambiguïté.</ref> ; {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = \left[ \overrightarrow{OG}(t) \wedge m\;\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_O} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids"> Le moment vectoriel du poids par rapport à <math>\,O\,</math> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)\;</math>» a établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_liaison_sphérique_et_avec_les_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b),_établissement_de_la_nature_plane_du_mouvement_du_C.D.I._G_du_P.P.(N.A.)|dans le cas d'une liaison sphérique et avec les C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), établissement de la nature plane du mouvement du C.D.I. G du P.P.(N.A.)]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] », soit «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\varphi_G}(t)\;</math>» avec <math>\,\vec{u}_{\varphi_G}\,</math> s'identifiant à <math>\,\vec{u}_{\Delta_O}</math>. <br>{{Al|3}}On pouvait aussi déterminer directement le moment scalaire du poids, le schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_«_liaison_pivot_»_ou_d’une_«_liaison_sphérique_avec_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b)_»,_nouveau_repérage_adapté_à_la_nature_rotatoire_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_à_un_degré_de_liberté|dans le cas d'une liaison pivot ou d'une liaison sphérique avec C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), nouveau repérage adapté à la nature rotatoire du mouvement du P.P.(N.A.) à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » étant fait avec le paramètre de position angulaire <math>\,\theta > 0</math>, on observe que le poids tend à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,-\,</math> avec un bras de levier <math>\,\big(</math>distance orthogonale séparant l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du support de <math>\,m\;\vec{g}\big)\,</math> égal à <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où, dans le cas où <math>\,\theta\,</math> est <math>\,> 0</math>, {{Nobr|«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)</math>}} <math>= - \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>» <math>\,\Big\{</math>le résultat est indépendant du signe de <math>\,\theta\,</math> mais si le schéma était fait avec <math>\,\theta < 0</math>, on observerait que le poids tendrait à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,+\,</math> avec un bras de levier <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = + \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = m\;g\;\left[ -\mathfrak{a}\; \sin(\theta) \right] = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>», soit effectivement le même résultat <math>\,\big[</math>avec toutefois une possibilité d'erreur si on oubliait que <math>\,\theta < 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert = -\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\big]\Big\}</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_particulier_où_M_est_en_mouvement_circulaire_d'axe_Δ_et_de_vitesse_angulaire_instantanée_Ω(t)|cas particulier où M est en mouvement circulaire d'axe Δ et de vitesse angulaire instantanée Ω(t)]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> de la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I."> Conditions Initiales.</ref> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O"> On a établi dans la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#cite_note-réduction_à_deux_composantes_de_la_réaction_dans_ces_C.I.-18|¹⁸]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » que la réaction du point <math>\,O\,</math> dans l'hypothèse d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] sur le pendule lancé dans les C.I. <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\,</math> ou <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\,</math> s'écrirait <math>\,\vec{R}(t) =</math> <math>R_{\rho_G}(t)\;\vec{u}_{\rho_G}(t) + R_z(t)\;\vec{u}_z</math>, c.-à-d. que la réaction serait dans le plan vertical de lancement soit encore «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» ; <br>{{Al|3}}on établit de même <math>\,\big[</math>sans que cela ait été exposé dans le chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> que la réaction de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le pendule quels que soient les C.I. de lancement compatibles avec la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] s'écrit «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>».</ref> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul"> En effet la force étant <math>\,\perp\,</math> à l'axe par rapport auquel son moment scalaire est évalué est de bras de levier nul.</ref> auquel s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe"> Le couple étant de moment vectoriel <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta_O</math>.</ref> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée à la date <math>\,t\,</math> par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée développée à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|7}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}sans terme du 1^er ordre ; {{Al|5}}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique"> On appelle « [[w:Solution_de_forme_fermée|solution analytique]] » d'une équation différentielle, une expression mathématique <math>\,\big(</math>souvent dite « formule explicite »<math>\big)\,</math> pouvant s'obtenir par une combinaison d'opérations et de [[w:Fonction_de_référence|fonctions de référence]] <math>\,\big(</math>c.-à-d. fonctions affines, puissances, trigonométriques et exponentielles ainsi que leurs fonctions inverses sur un domaine de définition restreint pour lequel il y a bijection et même certaines solutions d'équations différentielles dites de référence<math>\big)</math>, les opérations étant l'addition, la soustraction, la multiplication, la division et l'extraction de racines.</ref> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’élongations_angulaires_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'élongations angulaires non petites]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il est nécessaire de procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="solution analytique dans le cas d'élongations petites"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Cas_particulier_des_«_petites_élongations_angulaires_»,_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_=_oscillateur_harmonique_(non_amorti)_approché_de_rotation,_période_des_«_petites_oscillations_»|cas particulier des petites élongations angulaires, pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) oscillateur harmonique (non amorti) approché de rotation, période des petites oscillations]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. [[File:Pendule pesant amorti à un degré de liberté - forces extérieures - bis.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures, <math>\,I\,</math> étant le point où la résultante des forces de frottement fluide peut être appliquée]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti <math>\,\big(</math>voir coupe partielle représentée ci-contre<math>\big)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire" /> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I." /> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O" /> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul" /> où s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe" /> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu où se déplace le [[w:Pendule_pesant|pendule]] exercent sur ce dernier, modélisées par <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}un couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_O}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti" />{{,}} <ref name="définition de H"> <math>\,H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]], de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frotte le solide.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Amorti.</ref> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0 - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right] - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_O}}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}avec terme linéaire du 1^er ordre ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique" /> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’amplitudes_initiales_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'amplitudes initiales non petites]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il faut procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique - bis"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » nécessitant néanmoins d'ajouter le terme d'amortissement <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A." />. == « En complément », caractère conservatif du couple de torsion, énergie potentielle de torsion et conservation de l’énergie mécanique du pendule de torsion (non amorti) dans le champ de torsion du fil == {{Al|5}}Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » ne sont pas explicités dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » }}il me semble souhaitable de le retenir <math>\,\big(</math>et bien sûr d’être capable de le retrouver<math>\big)</math>. === Caractère conservatif du couple de torsion === {{Al|5}}Le travail élémentaire d’un couple de torsion s’exerçant sur un solide, de vecteur moment «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t) = -C\;\alpha(t)\;\vec{u}_\Delta\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Expression_du_vecteur_moment_du_couple_de_torsion_exercé_par_le_fil_en_fonction_de_l'angle_de_torsion_«_α(t)_»,_notion_de_constante_de_torsion_«_C_»_du_fil_de_torsion|expression du vecteur moment du couple de torsion exercé par le fil de torsion α(t), notion de constante de torsion C du fil de torsion]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> lors d’une torsion élémentaire «<math>\;d \alpha\;</math>» <ref name="définition de Delta et alpha sur le fil de torsion"> <math>\,\Delta\,</math> étant la direction du fil de torsion orienté par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et «<math>\;\alpha\;</math>» l'angle de torsion algébrisé, défini au niveau de la liaison au solide dans le plan <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta\,</math> et orienté par <math>\,\vec{u}_\Delta</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion }}étant défini selon «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>», <math>\,\big[\overline{\Omega}(t)\,</math> étant la vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt}\;</math>», <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \alpha\;</math>»<math>\big]\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> soit finalement <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon }}«<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -C\;\alpha\; d \alpha\;</math>» correspondant à une différentielle de fonction <math>\Rightarrow</math> le <u>caractère conservatif du couple de torsion</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple"> Pour montrer qu’une force est conservative, on évalue son travail élémentaire en prenant un vecteur déplacement élémentaire quelconque <math>\,\overrightarrow{dM}\,</math> à partir du point d'application <math>\,M\,</math> de la force <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#2ème_définition_(équivalente)_d'une_force_«_conservative_»|2^ème définition (équivalente) d'une force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> ; <br>{{Al|3}}lorsqu'il s’agit d'un couple de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, il faut évaluer son travail élémentaire en envisageant une rotation élémentaire quelconque autour de n'importe quelle direction, le couple est alors conservatif si ce travail élémentaire est une différentielle de fonction mais <br>{{Al|3}}{{Transparent|lorsqu'il s'agit d'un couple }}dans le cas d’un couple de torsion de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, la seule direction autour de laquelle peut s’effectuer une rotation élémentaire est celle du fil c.-à-d. celle de <math>\,\vec{\Gamma}\,</math> et par suite la seule condition pour que le couple de torsion soit conservatif est que son travail élémentaire en considérant une rotation élémentaire autour de la direction du fil de torsion soit une différentielle de fonction ou encore que « le moment scalaire du couple de torsion par rapport au fil ne dépende que de l'angle de torsion <math>\,\alpha\;</math>» C.Q.E.R. <math>\,\big(</math>Ce Qui Est Réalisé<math>\big)</math>.</ref>. === Énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion === {{Al|5}}L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,U_{\text{tors}}\,</math> dont « dérive » le couple de torsion de vecteur moment <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}est définie par «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#1ère_définition_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|1^ère définition de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> c.-à-d. «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(\alpha)\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\,</math> ou <math>\,-C\;\alpha\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <math>\Leftrightarrow</math> «<math>\;\dfrac{dU_{\text{tors}}}{d \alpha} = C\;\alpha\;</math>» soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}en intégrant «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2 + cste\;</math>» ; choisissant la référence de l’énergie potentielle de torsion <math>\;U_{\text{tors}}(\alpha)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle"> C.-à-d. l'endroit où l'énergie potentielle est choisie nulle.</ref> <br>{{Al|7}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> en intégrant «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\alpha) = 2\; C\;\alpha^2 + cste}\;</math>» ; choisissant la référence }}quand le fil n’est pas tordu c.-à-d. <math>\,U_{\text{tors}}(0) = 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = 0</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}l'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d’un fil et sa conservation en absence de frottement === [[File:Pendule de torsion sans masselottes - actions exercées.png|thumb|500px|Schéma d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] représenté sans masselottes additives et avec fil inférieur sans torsion avec ajout des actions exercées sur la tige à l'instant <math>\;t</math>]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec un seul fil de torsion, l'autre fil étant sans torsion <math>\,\big(</math>voir schéma ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec un seul fil de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}la seule action extérieure de moment scalaire non nul par rapport à la direction <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}commune du fil de torsion et du fil sans torsion <math>\;\big(</math>orientée par le vecteur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> étant le couple « conservatif » de torsion <ref name="conservativité du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Caractère_conservatif_du_couple_de_torsion|caractère conservatif du couple de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}moment vectoriel «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}} = -C\;\alpha\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion /> auquel on associe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie potentielle de torsion du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre valant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;U_{\text{tors}}(t) =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion énergie potentielle de torsion }}<math>\,\dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_torsion_du_solide_relié_au_fil_de_torsion|énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}son énergie cinétique à la date <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{pend. tors.}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique }}<math>J_{CO_{\text{sup}}}\,</math> est le moment d'inertie du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] relativement à la <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique <math>\color{transparent}{J_{CO_{\text{sup}}}}\,</math> est }}direction du fil de torsion et du fil sans torsion <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à l'instant <math>\,t\,</math> selon «<math>\;E_m(t) = K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Propriétés_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|propriétés de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] (2^ème propriété) » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha_0 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\alpha(0) = \alpha_0\;</math> et <math>\,\dot{\alpha}(0) = 0\;</math>». [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]]]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige <math>\,\big(</math>voir photographie ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec deux fils de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}il y a deux actions extérieures s'exerçant sur le solide « tige + masselottes » de moment scalaire non nul par rapport à <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}la direction commune <math>\,\Delta_C\,</math> des deux fils de torsion <math>\,\big(</math>orientée par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}élémentaire du solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}prouve le <u>caractère conservatif du couple de torsion du fil supérieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}supérieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = -d U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta = -d U_{\text{tors. sup.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. sup.}}}{d \theta} = C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\,</math> qui s'intègre en <math>\,U_{\text{tors. sup.}}</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,= \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> et, en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. sup.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du solide à l'équilibre » c.-à-d. <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre"> Revoir l'explication rappelée dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans le chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil supérieur du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta_1 - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_1 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion"> Symboliquement l'énergie potentielle d'un solide dans le champ de torsion d'un fil de torsion s'obtient, à une constante additive près, par la moitié du produit de la constante de torsion du fil et du carré de l'angle de torsion, à l'instant <math>\;t</math>, du fil au point d'attache du solide.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation élémentaire du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\; \theta(t)\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et prouve le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<u>caractère conservatif du couple de torsion du fil inférieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}inférieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = -d U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\;\theta\;d \theta = -d U_{\text{tors. inf.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. inf.}}}{d \theta} = C\; \theta\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{tors. inf.}} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} + cste_2\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. inf.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position du solide à l'équilibre » c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil inférieur du solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2} + cste_2 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_2 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}finalement l'énergie potentielle globale de torsion du solide « tige + masselottes » <math>\,\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale }}s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = U_{\text{tors. sup.}}(\theta) + U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» ou, en simplifiant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale s'écrit }}«<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2\;</math>» <ref> En effet <math>\,\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + 2\;C\; \theta_1^{\,2} + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + C\; \theta_1^{\,2} = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2</math>.</ref>{{,}} <ref> Cette énergie potentielle de torsion du solide « tige + masselottes » est la même que celle que l'on obtiendrait avec un seul fil de torsion de constante de torsion <math>\,2\,C</math>, l'autre fil étant sans torsion avec la référence en la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>.</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule ci-dessus étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «<math>\;\color{transparent}{K_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#%Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torion par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique de l'ensemble tige + masselottes) » plus haut dans ce chapitre.</ref> avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule }}<math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion des deux fils définie, à l'instant <math>\,t\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie mécanique }}«<math>\;E_m(t) = K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}\! \left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\alpha\;</math>» dans le 1^er exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] ou <br>{{Al|57}}celui «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta - \theta_1 \right]^2 \,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du 2^ème exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|même]] paragraphe <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}étant parabolique, nous retrouvons la <u>2^ème définition d’un oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math>de rotation<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_(équivalente)_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition (équivalente) énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. <br>{{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> de son mouvement dans le 2^ème exemple du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}«<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2 = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>», <br>{{Al|58}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}les C.I. <ref name="C.I." /> étant «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}est donc une <u>ellipse décrite dans le sens horaire</u> <ref name="portrait de phase d'un socillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Tracé_du_portrait_de_phase_de_la_charge_du_condensateur_d'un_«_R_L_C_série_»_soumis_à_un_échelon_de_tension_suivant_le_cœfficient_d'amortissement|propriétés des portraits de phase de la charge du condensateur d'un RLC série soumis à un échelon de tension suivant le cœfficient d'amortissement]] (cas d'un circuit oscillant non amorti en vert) » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. == Conservation de l’énergie mécanique du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) dans le champ de pesanteur uniforme == === Énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant === {{Al|5}}Dans le cas d'un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref><math>\big)</math>, le poids du solide étant la seule action extérieure travaillant et ce dernier étant conservatif <ref name="poids d'un objet conservatif"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Établissement_du_caractère_«_conservatif_»_du_poids_d'un_point_matériel_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|établissement du caractère conservatif du poids d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, }}on lui associe l'énergie potentielle de pesanteur «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta)\;</math>» <ref name="énergie potentielle de pesanteur"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#«_Énergie_potentielle_de_pesanteur_d'un_point_matériel_»_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|énergie potentielle de pesanteur d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> déterminée en intégrant «<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = -dU_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> avec <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)\,</math> travail élémentaire du poids lors d'une rotation élémentaire d'angle <math>\,d \theta = \dot{\theta}(t)\;dt\,</math> autour de <math>\,\Delta_O\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe «<math>\;\color{transparent}{\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)}\,</math>}}<math>= \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;dt = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)\;dt = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;d \theta\;</math>» <ref name="travail élémentaire du poids du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (actions extérieures exercées sur le solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> d'où <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}<math>\,-dU_{\text{pes}} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\;d \theta\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{pes}}}{d \theta}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\,</math> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right) + cste\;</math>» <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}soit, en choisissant comme référence de l'énergie potentielle <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> « la position <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}d'équilibre stable de ce dernier <ref name="équilibre stable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessous de ce dernier.</ref> <math>\,\theta_{\text{éq. stable}} = 0\;</math>» d'où <math>\,U_{\text{pes}}(0) = 0\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}<math>\Rightarrow</math> <math>\,0 = -m\;g\;\mathfrak{a} + cste\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = m\;g\;\mathfrak{a}\,</math> d'où l'expression de <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}l'énergie potentielle de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> se réécrit selon <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta \right) \right]\;</math>» <ref> Pour trouver l'expression de l'énergie potentielle de pesanteur on peut aussi utiliser <math>\,\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = m\;g\;dz_G = -dU_{\text{pes}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{pes}} = -m\;g\;z_G + cste\,</math> sachant que <math>\,z_G = \mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right)\,</math> avec pour position d'équilibre stable <math>\,z_{G,\,\text{éq. stable}} = \mathfrak{a}</math> <math>\;\ldots</math></ref> <math>\,\big(</math>référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : la position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement === {{Al|5}}Considérant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A." /><math>\big)</math>, l'énergie potentielle de pesanteur étant «<math>\;U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right] = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\,</math> avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> <math>\,\theta_{\text{équi. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P."/> » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> et <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie cinétique du solide constituant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique du solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> dans laquelle <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie cinétique}}«<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du solide par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie mécanique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> dans le champ de pesanteur «<math>\;E_m\!(t) = K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) + U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right]</math> <br>{{Al|23}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie mécanique du P.P.N.A. dans le champ de pesanteur «<math>\;\color{transparent}{E_m\!(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{P.P.N.A.}}(t) + U_{\text{pes}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P..P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\,\left[ 1 - \cos(\theta) \right]\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}n'étant pas parabolique <math>\,\big(</math>mais sinusoïdal<math>\big)</math>, nous pouvons affirmer que <u>le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> n'est pas un oscillateur harmonique</u> <math>\,\big(</math>quand il est en situation d'osciller<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <math>\blacktriangleright\;</math>« oscillatoire pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'énergie mécanique initiale du P.P.N.A. vaut «<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^2 + m\;g\; \mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta_0 \right) \right]\;</math>».</ref> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. est }}<math>\blacktriangleright\;</math>« révolutive pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="étude du mouvement d'un P.P.N.A. par diagramme d'énergies"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Étude_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_dans_le_cas_général_des_élongations_angulaires_non_petites_par_diagramme_énergétique|étude du mouvement du P.P.(N.A.) dans le cas général des élongations angulaires non petites par diagramme énergétique]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}de démontrer, avec utilisation simultanée de l'intégrale 1^ère énergétique <ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'intégrale 1^ère énergétique du P.P.N.A. s'écrit «<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^{\,2} + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet de démontrer, }}la nature « périodique <math>\,\big(</math>oscillatoire ou révolutive<math>\big)\;</math>» ainsi que <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}d’établir l’expression de la période sous forme intégrale <math>\ldots</math> {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Les [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d’un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ayant pour équation implicite l’intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\;</math><ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" /> de son mouvement lequel dépend de la valeur de l'énergie mécanique initiale <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />, <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. }}diffèrent suivant <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="différents portraits de phase d'un P.P.N.A."> Voir les paragraphes « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Tracé_des_portraits_de_phase_dans_le_cas_général_«_d'oscillations_ou_de_mouvement_révolutif_»_d'un_P.P.S._lancé_dans_les_C.I._«_1b_U_1a_»|tracé des portraits de phase dans le cas général d'oscillations ou de mouvement révolutif d'un P.P.S. lancé dans les C.I. 1b U 1a]] » du chap.<math>12</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\,\big(</math>l'allure des [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti étant la même que ceux d'un [[w:Pendule_simple|pendule simple]] non amorti<math>\big)\,</math> et « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Différents_portraits_de_phase_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté),_«_bifurcation_»_entre_mouvement_«_pendulaire_»_et_révolutif|différents portraits de phase du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté), bifurcation entre mouvement pendulaire et révolutif]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>pendulaire</u> <ref name="pendulaire"> Adjectif synonyme d'« oscillatoire ».</ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>fermé</u>, décrit dans le « <u>sens horaire</u> » <ref name="justification du sens horaire"> Ou « trigonométrique indirect », en effet « quand <math>\,\dot{\theta}\,</math> est <math>\,> 0</math>, <math>\,\theta \nearrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \nearrow\,</math> puis <math>\,\searrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule » ensuite «<math>\;\dot{\theta}\,</math> est <math>\,< 0</math>, correspondant à <math>\,\theta \searrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \searrow\,</math> puis <math>\,\nearrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule de nouveau » <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}avec le point «<math>\;\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)\;</math>» comme « <u>centre de </u>{{Nobr|<u>symétrie</u> » <ref name="justification du centre de symétrie"> Invariance de l’équation en changeant «<math>\;\theta\,</math> en <math>\,-\theta\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des vitesses angulaires <math>\,\big(</math>en fait antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>» et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Invariance de l’équation }}en changeant «<math>\;\dot{\theta}\,</math> en <math>\,-\dot{\theta}\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des abscisses angulaires <math>\,\big(</math>là encore c'est une antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|3}}l’association des deux symétries axiales <math>\,\big(</math>ou plutôt des deux antisymétries axiales<math>\big)\,</math> donnant un centre de symétrie pour l'intersection des deux axes <math>\,\big[</math>le point d'intersection des deux axes étant réellement une symétrie centrale <math>\,\big(</math>et non une antisymétrie centrale<math>\big)</math>.</ref>}} <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, avec le point «<math>\;\color{transparent}{\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)}\;</math>» }}correspondant à la position d’équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /> du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ; <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> }}<math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>révolutif</u>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>ouvert</u>, constitué de la <u>répétition du motif de l'intervalle</u><math>\;\left] -\pi\, , \, \pi \right]</math>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase }}répété <math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \nearrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} > 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 > 0\;</math>» ou <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase répété }}<math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \searrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} < 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 < 0\;</math>», <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)\;</math>» et celui avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,-\dot{\theta}_0 > 0 \right)\;</math>» <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, le portrait de phase avec C.I. «<math>\;\color{transparent}{\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)}\;</math>» }}étant <u>antisymétriques</u> l'un de l'autre, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>maxima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre stable</u> <ref name="équilibre stable du P.P." /> «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres stables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» ;<br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}\;</math>»<math>\big)\;</math> alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big)</math>.</ref> et <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>minima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre instable</u> <ref name="équilibre instable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessus de ce dernier.</ref> «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;</math> <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, les minima de<math>\;\color{transparent}{\vert \dot{\theta} \vert}\;</math>obtenus pour les positions d’équilibre instable «<math>\;\color{transparent}{\theta_{\text{éq. inst.}} =}</math> }}<math>\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres instables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = -\left( 2\;p' + 1 \right)\, \pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big[</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big]\;</math>.</ref>. == « Généralisation » à tout « solide » : « théorème de la variation de l’énergie mécanique » et la forme locale associée « le théorème de la puissance mécanique », application au cas d’un solide amorti == {{Al|5}}Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à la généralisation à tout système de points matériels ou continu de matière « indéformable » <ref name="solide au sens de la mécanique" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à }}la généralisation aux systèmes de points matériels ou continus de matière « déformables » sera faite dans le chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Lois_de_l'énergie_cinétique_pour_un_système_déformable_de_points_matériels#«_En_complément_»,_théorème_de_la_variation_de_l’énergie_mécanique_appliqué_à_un_système_de_matière_déformable_dans_le_champ_des_forces_extérieures_et_intérieures_conservatives_et_sa_forme_locale_«_le_théorème_de_la_puissance_mécanique_»|en complément : théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un système de matière déformable dans le champ des forces extérieures et intérieures conservatives et sa forme locale le théorème de la puissance mécanique]] » du chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. === Théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s’écrivant «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\bullet\;</math>celles qui sont conservatives <math>\,\big(</math>lesquelles « dérivent » d’une énergie potentielle<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{ransparent}{\bullet}\;</math>}}dont le travail pendant cette durée finie est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées }}<math>\bullet\;</math>celles qui sont non conservatives <ref name="non conservatives"> Ou, si elles sont conservatives, dont on ne considère pas le caractère « conservatif ».</ref> dont le travail pendant cette durée finie <br>{{Al|12}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>celles qui sont non conservatives dont }}est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}d'où «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou, avec «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, }}<math>\big(U_{\text{ext}}\,</math> étant l'énergie potentielle dont dérivent les forces conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, <math>\color{ransparent}{\big(}</math>}}définie à une constante additive près précisée par choix de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}<math>\Rightarrow</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» d’où la réécriture du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « solide <math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\left( \mathcal{S} \right)} + U_{\text{ext}} \right] = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» où on reconnaît dans le 1^er membre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}la variation de l’énergie mécanique «<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t) + U_{\text{ext}}\!(t)\;</math>» du solide «<math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le champ des forces conservatives sur la durée <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> dans le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où dans le champ des forces conservatives }}référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen d'où, finalement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}le lien entre la variation de l'énergie mécanique du « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;\Delta E_m = E_{m,\,\mathcal{F}} - E_{m,\,\mathcal{I}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» le lien }}le travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> sur cette même durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}«<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» applicable à un solide dans un référentiel d’étude galiléen, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}l'énoncé du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie dans un référentiel galiléen <ref> Ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. sous la forme où il existe des forces extérieures non conservatives dissipatives mais, comme le cas où toutes les forces extérieures travaillant sont conservatives est clairement explicité <math>\,\big(</math>sous la forme de la conservation de l’énergie mécanique du solide<math>\big)</math>, le cas où il existe des forces extérieures travaillant et non conservatives <math>\,\big(</math>comme des forces de frottement<math>\big)\,</math> s’appliquant à un solide peut difficilement être ignoré d'où l'ajout du théorème sous sa forme la plus générale <math>\;\ldots</math></ref>. : {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}<math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <math>\,K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation «<math>\;\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» }}égale au travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale au travail }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire dans un référentiel galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique }}se déduit aisément de sa forme sur une durée finie soit {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}conservatives <math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}<math>K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> <math>\color{transarent}{K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)}\,</math> l'énergie cinétique }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation élementaire«<math>\;d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t)\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» }}égale au travail élémentaire des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» égale au travail }}appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;d E_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide }}est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée finie ou élémentaire se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>». === Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de la puissance mécanique est la forme locale associée à la forme intégrée <ref name="forme intégrée de forme locale" /> “ théorème de la variation de l'énergie mécanique sur une durée finie ou élémentaire ” ; {{Al|5}}pour obtenir cette forme locale on écrit le théorème de la variation de l’énergie mécanique d’un solide dans le champ des forces extérieures conservatives entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math><ref> C.-à-d. la forme élémentaire du théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un solide.</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on écrit }}«<math>\;dE_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\,</math> dans un référentiel galiléen » puis, <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on divise les deux membres par <math>\,dt\,</math> soit «<math>\;\dfrac{dE_m}{dt} = \dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{dE_m}{dt}\;</math>» est la dérivée temporelle de l’énergie mécanique du solide dans le champ des forces extérieures conservatives définissant <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}la puissance mécanique du solide à l'instant <math>\,t\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives, notée «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» la puissance instantanée développée, à l'instant <math>\,t</math>, par les forces extérieures non conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}appliquées au solide notée «<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on obtient «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» d'où l'énoncé du théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen : {{Théorème|titre=Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide »|contenu = {{Al|5}}La puissance mécanique à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> <math>\big[</math>avec, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie mécanique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{ext}}(t)}\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces }}conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math>» l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique }}est égale à la puissance instantanée développée par les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique est égale à }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> au même instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide à un instant <math>\,t\,</math> quelconque se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}c.-à-d., après intégration, « la conservation de l’énergie mécanique du solide précédemment défini ». === Application au cas d’un solide amorti === {{Al|5}}Parmi les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées à un solide et travaillant, « les plus fréquentes sont dissipatives » <ref> Mais elles peuvent aussi être motrices par exemple, si nous souhaitons que les oscillations d’un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ou d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] perdurent alors qu’existent naturellement des frottements {{Nobr|<math>\,\big(</math>même}} minimes<math>\big)</math>, il est nécessaire de les entretenir à l’aide d’une force extérieure motrice compensant les forces de frottement, cette force motrice étant alors usuellement non conservative tout comme le sont les forces de frottement.</ref> comme les forces de frottement fluide <math>\,\big(</math>ou solide<math>\big)</math> ; {{Al|5}}si les seules forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> travaillant sont des forces de frottement s'exerçant sur un solide en mouvement dans un référentiel galiléen, <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces }}conservatives <ref name="théorème de la puissance mécanique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_la_puissance_mécanique_appliqué_à_un_«_solide_»|théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}s’écrivant «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{frott}}\!(t) < 0\;</math>» dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}l'énergie mécanique de ce solide «<math>\;E_m(t) \searrow\,</math> au sens strict » avec <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}</math> <math>\big(</math>il est qualifié d'« amorti »<math>\big)</math>. ==== Cas particulier du pendule de torsion amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] dont la photographie est dans un « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|paragraphe plus haut dans ce chapitre]] » mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}avec les masselottes remplacées par des ailettes comme présenté dans le schéma de vue de dessus de la « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|remarque du paragraphe précité]] », <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d'un fil et sa conservation en absence de frotemment]] (2^ème exemple) » plus haut dans ce chapitre dans lequel <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> doit être remplacée par <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})</math>.</ref> dans le référentiel <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « }}<math>\big\{</math>avec <math>\,U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> la position d'équilibre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « <math>\color{transparent}{\big\{}</math>avec <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2}\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence }}du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}on en déduit la puissance mécanique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;\dot{E}_m(t) = J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + 2\;C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]\,\dot{\theta}(t)\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}la puissance du couple de frottement fluide linéaire <math>\,\big(</math>seules forces extérieures non conservatives travaillant de moment scalaire par rapport à l'axe de rotation du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion la puissance du couple de frottement fluide linéaire <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>}}<math>\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion" />, <math>\,H\,</math> étant une constante positive <ref> Exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frottent les ailettes.</ref><math>\big)\,</math> <br>{{Al|6}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion la puissance du couple de frottement fluide linéaire }}agissant sur les ailettes du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étant «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] (remarque : actions extérieures exercées sur l'ensemble “ tige et ailettes ”) » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}le théorème de la puissance mécanique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» ou <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» ou encore, <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + 2\;C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]\,\dot{\theta}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}après simplication par <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> non identiquement nulle <ref name="hors position d'équilibre" /> et normalisation <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <ref> Identique à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Identique }}à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] (2^ème exemple où les masselottes sont remplacées par des ailettes) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <center>«<math>\;\ddot{\theta}(t) + + \dfrac{H}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta_1\;</math>».</center> ==== Cas particulier du pendule pesant à un degré de liberté amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] à un degré de liberté dont le schéma est dans un « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|paragraphe plus haut dans le chapitre]] » dans lequel <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}des frottements fluides linéaires agissent sur le [[w:Pendule_pesant|pendule]] comme présentées dans le schéma de la « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|remarque du paragraphe précité]] », <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}l'énergie mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frotemment]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> dans le référentiel <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté l'énergie mécanique du P.P.A. étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « }}<math>\big\{</math>avec <math>\,U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\,</math> l'énergie potentielle de pesanteur <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté l'énergie mécanique du P.P.A. étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « <math>\color{transparent}{\big\{}</math>}}la position d'équilibre stable du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> <math>\,\theta_{\text{équi. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P."/><math>\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}on en déduit la puissance mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." />, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;\dot{E}_m(t) = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \sin\! \left[ \theta(t) \right]\,\dot{\theta}(t)\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}la puissance des forces de frottement fluide linéaire <math>\,\big(</math>seules forces extérieures non conservatives travaillant de moment scalaire par rapport à l'axe de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté la puissance des forces de frottement fluide linéaire <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>}}rotation du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] <math>\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_O}(t) = -H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="moment scalaire des forces de frottement fluide sur pendule pesant"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <math>\,H\,</math> étant une constante positive <ref> Exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]], de la forme de celui-ci par rapport à l'axe et du fluide sur lequel il frotte.</ref><math>\big)\,</math> <br>{{Al|6}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté la puissance des forces de frottement fluide linéaire }}agissant sur le [[w:Pendule_pesant|pendule]] étant «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_O}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (remarque : actions extérieures exercées sur le solide du pendule) » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» ou <br>{{Al|20}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» ou encore, <br>{{Al|20}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \sin\! \left[ \theta(t) \right]\,\dot{\theta}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou <br>{{Al|20}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}après simplication par <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> non identiquement nulle <ref name="hors position d'équilibre" /> et normalisation <br>{{Al|20}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] amorti <ref> Identique à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Identique }}à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (remarque établissement de l'équation différentielle du P.P.A.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|20}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + + \dfrac{H}{J_{\Delta_O}}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>». == Notes et références == <references /> {{Bas de page | idfaculté = physique | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie|Approche énergét. du mouv. d'un sol. en rotat. autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels|Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels]] }} bkffew87scgwjthto4zr1qf848zg0g7 987957 987956 2026-11-01T04:13:06Z Phl7605 31541 987957 wikitext text/x-wiki {{Chapitre | idfaculté = physique | numéro = 12 | niveau = 14 | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie/]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels/]] }} <center>Ce chapitre est traité dans le cadre de la dynamique newtonienne avec ajout de quelques éléments de dynamique relativiste.</center> == Théorème de l'énergie cinétique d’un système de matière, cas d’un solide en rotation autour d’un axe fixe == {{Al|5}}Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}est évidemment à connaître comme forme intégrée de la forme locale <ref name="forme intégrée de forme locale"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Lois_de_la_puissance_et_de_l'énergie_cinétiques#Différence_entre_«_forme_locale_de_la_dynamique_»_et_«_forme_intégrée_associée_à_cette_forme_locale_»|différence entre forme locale de la dynamique et forme intégrée associée à cette forme locale]] » du chap.<math>15</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> « théorème de la puissance <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}cinétique d'un système de matière » laquelle est inscrite explicitement dans le programme <math>\;\ldots</math> === Définition du travail du système des forces extérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque"> Par « système de matière quelconque » il faut entendre « système fermé discret de points matériels ou continu de matière » « déformable ou non ».</ref> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1"> A priori <math>\,N\,</math> pourrait être égal à <math>\,1\,</math> mais ce ne serait plus un système de points matériels mais un simple point matériel.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes"> C.-à-d. l’ensemble des paramètres de position et de vitesse de tous les points à l'instant de définition de l'état, tous ces paramètres permettant d’y décrire le système.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> entre }}l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Expression_du_travail_élémentaire_de_la_force_dont_le_point_d’application_subit_le_vecteur_déplacement_élémentaire_correspondant_à_la_durée_élémentaire_de_développement_de_sa_puissance|expression du travail élémentaire de la force dont le point d'application subit le vecteur déplacement élémentaire correspondant à la durée élémentaire de développement de sa puissance]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - bis"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="infiniment proches"> Instants infiniment proches.</ref>, son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité volumique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance volumique <math>\,\mathcal{P}_{\text{vol},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t)</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité surfacique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance surfacique <math>\,\mathcal{P}_{\text{surf},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) =</math>}} <math>\sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité linéique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance linéique <math>\,\mathcal{P}_{\text{lin},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right] dt\;</math>».</ref>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« chaque point <math>\,\color{transparent}{M_i}\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> entre «<math>\;\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\;</math>» }}son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\,</math> étant aussi tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces extérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces extérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" />. === Définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est également présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2"> Pour l'existence de forces intérieures appliquées à un système, <math>\,N\,</math> doit être évidemment <math>\,\geqslant\,</math> à <math>\,2</math>.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes" /> et l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" /> sachant que <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir }}le système des forces intérieures s'exerçant sur le système discret fermé de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le système des forces intérieures }}est défini comme « l'ensemble des forces <math>\,\vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t)\,</math> que chaque point <math>\,M_j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, exerce sur chaque point <math>\,M_i,\;\;i \neq j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math>» <ref name="système de forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Forces,_principe_des_actions_réciproques#Système_des_forces_intérieures_s’exerçant_sur_un_système_de_points_matériels_fermé|système des forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math> entre les instants <math>\;t\;</math> et <math>\;t + dt\;</math> selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i} \right]\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - ter"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> dans lequel, chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \mu(M')\;d \mathcal{V}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bivolumique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}}{d \mathcal{V}_{M'}\;d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \sigma(M')\;d S_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\;</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bisurfacique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}}{d S_{M'}\;d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \lambda(M')\;d \mathit{l}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\;\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bilinéique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}}{d \mathit{l}_{M'}\;d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace dt\;</math>».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces intérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces intérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière" />. {{Al|5}}<u>Remarque 1</u> : Le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures }}peut aussi être défini à partir de la puissance instantanée développée par les forces intérieures s’exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="définition de la puissance développée par les forces intérieures"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Définition_2|définition]] (de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures peut aussi être défini }}selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - tetra"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : }}le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}s'obtenant en ajoutant tous les travaux élémentaires de <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}peut se calculer à partir de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> peut se calculer }}par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>». {{Al|5}}<u>Remarque 2</u> : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math><ref name="définition du référentiel Rj"> Le référentiel «<math>\;\mathcal{R}_j\;</math>» est le référentiel lié à <math>\,M_j\,</math> en translation par rapport au référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#cite_note-puissance_des_forces_intérieures_s'exerçant_sur_système_continu_de_matière_-_ter-55|⁵⁵]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> dans le référentiel <math>\,\color{transparent}{\mathcal{R}}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}_{\text{int}}(t)}</math> }}<math>= \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Autres_expressions_équivalentes|autres expressions équivalentes]] de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj"> Le point <math>\,M_i\,</math> décrivant dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_j</math> <math>\,\big[</math>lié à <math>\,M_j\,</math> et en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\big]\,</math> une trajectoire particulière <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}\;</math> entre les deux instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t)\big]\,</math> étant tangent à <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}</math>.</ref> ou <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures «}}<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right]\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : }}de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière" />{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" />{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" />. {{Al|5}}<u>Remarque 3</u> : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nulle <ref name="puissance des forces intérieures en général non nulle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (1^ère conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu"> Système discret de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique"> Le système se comporte donc comme un solide au sens de la mécanique.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures nulle pour un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (3^ème conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = 0\;\;\forall\;t\,</math> pour <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = 0\;\;\forall\;\left[ t\,,\,t + dt \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> le devient }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = 0\;\;\forall\;\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> ». === Théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Partant du théorème de la puissance cinétique appliqué, à l'instant <math>\,t</math>, à un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Énoncé|énoncé]] du théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> dans lequel <math>\,\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math> est la puissance cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{ext}}(t)\,</math> la puissance développée par les forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\,</math> celle développée par les forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la même date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on multiplie par <math>\,dt\,</math> pour obtenir la forme élémentaire du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir la forme élémentaire }}entre «<math>\;t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\;</math>» où <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> est la variation élémentaire d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{ext}}\,</math> le travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{int}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur le même <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on intègre entre <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique }}entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec <math>\,\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\,</math> variation d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\,</math> }}sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> le travail des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> le travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> celui des forces intérieures }}sur le même <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>. {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> étant nul quel que soit le mouvement du système » <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Définition_du_travail_du_système_des_forces_intérieures_appliquées_à_un_«_système_de_matière_»_entre_un_état_initial_et_un_état_final|définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un système de matière entre un état initial et un état final]] (remarque 3) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul }}<math>\Rightarrow</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide sous sa forme élémentaire ou <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide }}sur une durée finie : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière en translation » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière"> Système fermé discret fermé de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> en translation » <ref name="système en translation"> Un « système de matière en translation » ne se déformant pas peut aussi être qualifié de « solide » au sens de la mécanique.</ref>, tous les points ont le même vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> égal à celui du C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> <math>\,G\,</math> du système, d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\!G}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <ref name="signification du travail élémentaire développé par les forces extérieures appliquées à un système en translation"> Dans cette 3^ème expression «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» est aussi « le travail élémentaire qui serait développé, sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\,t + dt \right],</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>, par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans <math>\,\mathcal{R}\;</math>» <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», ce dernier s'obtenant par application du théorème du mouvement du C.D.I. <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Principe_fondamental_de_la_dynamique_et_théorème_de_la_résultante_cinétique#Énoncé_du_théorème_(dynamique_newtonienne)|énoncé du théorème (dynamique newtonienne)]] du mouvement du C.D.I. d'un système » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> correspondant aussi à l'application de la r.f.d.n. <math>\,\big(</math>relation fondamentale de la dynamique newtonienne<math>\big)\,</math> au point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>» sur lequel s'exercerait la résultante dynamique<math>\big\}</math>.</ref> dans laquelle «<math>\;\vec{F}_{\text{ext}}(t)\;</math> est la résultante <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}«}}dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» <ref> Voir les paragraphes « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_en_translation_»|cas d'un système de matière en translation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » et « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissancce développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces intérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{int},\,\text{syst. en transl.}} = 0\;</math>» <ref name="système en translation" />{{,}} <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>de la variation élémentaire de l'énergie cinétique du système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en transl.}}\;</math>» avec «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="signification de l'énergie cinétique d'un système en translation"> Dans cette 2^ème expression «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» est aussi « l'énergie cinétique newtonienne du point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans {{Nobr|<math>\,\mathcal{R}\,</math>»}} <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», tous les points du système en translation ayant même vitesse que le C.D.I. <math>\,G\big\}</math>.</ref> l'énergie cinétique <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, dans le cadre de la cinétique newtonienne <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en translation"> Voir le paragraphe « énergie cinétique dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Cas_d'un_système_en_translation|cas d'un système en translation]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique }}appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" />{{, }} <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque dans un référentiel galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> nous obtenons : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un référentiel <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière en translation <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> étant le C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> et <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =}</math> }}la résultante dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\,</math> ou <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste"> Applicable sous cette forme dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste.</ref> avec <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="système fermé de matière" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système en translation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =</math> <math>K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail effectué par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail effectué par la résultante dynamique }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <br>{{Al|208}}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Ce théorème <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais il doit bien sûr être connu <ref> Sans doute ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. car on considère usuellement un système de matière en translation comme un point matériel <math>\,\big(</math>le C.D.I. <math>\,G\,</math> du système<math>\big)\,</math> sur lequel s'exerce la résultante dynamique du système et, selon ce point de vue, le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un système de matière en translation n'est rien d'autre que le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un point matériel, lequel est, quant à lui, au programme <math>\;\ldots</math></ref>. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}<u>Préliminaire</u> : Un « système <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » peut, a priori, se déformer <ref name="système en rotation autour d'un axe"> Par exemple, en se dilatant, c.-à-d. que chaque point du système, en plus de sa rotation autour d'un axe fixe, s'éloigne radialement de cet axe <math>\,\big(</math>la vitesse d'éloignement pouvant être différente d'un point à un autre<math>\big)\,</math> mais dans ce cas il ne s'agit pas d'une rotation « pure » <math>\;\ldots</math> <br>{{Al|3}}Pour maintenir une même vitesse angulaire à un instant <math>\,t\,</math> pour tous les points d'un « système déformable », il faut que le mouvement orthoradial de chacun des points soit corrélé au mouvement radial correspondant, avec absence de mouvement axial, c.-à-d. que, pour deux points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> tels que la droite <math>\,M_iM_j\,</math> recoupe l'axe <math>\,\Delta\,</math> perpendiculairement en <math>\,H_{i,\,j}</math>, <math>\,\big[</math>les points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> ayant donc même abscisse angulaire <math>\,\theta_{i,\,j}(t)\big]\,</math> on ait <math>\,\dot{\theta}_{i,\,j}(t) = \overline{\Omega}(t)</math> <math>\,\big[</math>donc indépendant de <math>\,\left( i\,,\, j \right)\big]\,</math> pour tout instant <math>\,t\,</math> et pour tout couple <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> dont les éléments ont même abscisse angulaire, ces conditions étant très contraignantes sont quasiment jamais réalisées naturellement <math>\;\ldots</math></ref>, toutefois, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Préliminaire : un « système <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>fermé<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » }}il est, en pratique, indéformable et est alors qualifié de « solide » au sens de la mécanique ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Préliminaire : }}l’exposé ci-dessous s'applique à un système discret <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de points matériels ou un système continu <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}<u>Exposé</u> : Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière" /> indéformable, en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe <math>\,\Delta</math>, fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen », <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}tous les points ont le même vecteur rotation instantanée <math>\,\vec{\Omega}(t) = \overline{\Omega}(t)\;\vec{u}_{\Delta}\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\big[\vec{u}_{\Delta}\,</math> étant le vecteur unitaire orientant l'axe de rotation <math>\,\Delta\,</math> et <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\big[}</math>}}autour de cet axe de rotation <math>\,\Delta\big]\,</math> d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe"> Expression ne nécessitant pas que l'axe <math>\,\Delta\,</math> soit fixe, la fixité de l'axe dans un référentiel intervenant quand ce dernier est galiléen et quand on utilise l'un des théorèmes fondamentaux de la dynamique de rotation des systèmes <math>\,\big\{</math>par exemple le théorème de l'énergie cinétique établi dans ce paragraphe mais le traavail élémentaire déveeloppé par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» ne nécessite pas que <math>\,\Delta\,</math> soit fixe<math>\big\}</math>.</ref>{{,}} <ref name="travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur un système en rotation"> Voir le paragraphe « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> {{Nobr|«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)</math>}} <math>= \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;</math>» et le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\delta W\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right] = \mathcal{P}\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right]\;dt\;</math>» puis, en faisant la somme membre à membre de façon à définir le travail élémentaire du sytème des forces extérieures s'exerçant sur le système en rotation «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)\;dt\;</math>».</ref> où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> est le moment <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» ou, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>du travail élémentaire }}avec «<math>\;\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta\;</math>» dans lequel <math>\,\theta(t)\,</math> est l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, la réécriture <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>,«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>de la variation de l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}}\;</math>» avec, l'énergie cinétique, à l'instant <math>\,t</math>, de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le cadre de la cinétique newtonienne «<math>\;K_{\text{syst. en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en rotation autour d'un axe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d’un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d’un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> avec «<math>\;J_\Delta\,</math> le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}relativement à <math>\,\Delta\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe"> Voir la notion de moment d'inertie d'un système discret ou continu dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Application_à_un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe#Application_au_cas_d'un_«_système_fermé_de_matière_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe_«_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|application d'un système fermé de matière en rotation autour d'un axe Δ fixe quelconque dans un référentiel d'étuide galiléen]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> d'où, en cinétique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> appliqué à un solide <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_solide_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d'un système }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> avec «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» et «<math>\;\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <math>\,\overline{\Omega}(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}<math>= \dot{\theta}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> encore égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>avec <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> et <math>\,\theta(t)\,</math> l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" />, sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail du moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail du }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[\theta(t)\,</math> étant l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation est égale au travail du «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[\theta}\,</math> étant l'abscisse angulaire }}à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> étant le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = 2\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)}\;</math>» <math>\,\big[</math>}}<math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] <math>\,\big(</math>photographié ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_(non_amorti)|mise en équation différentielle du mouvement du pendule de torsion (non amorti)]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Théorème_de_la_puissance_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_autour_d'un_axe_Δ_fixe_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe dans un référentiel d'étude galiléen]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. {{Al|5}}Ci-contre le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec deux fils de torsion identiques de même constante de torsion «<math>\;C\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec }}positions de masselottes identiques <math>\,\big(</math>sauf pour la couleur<math>\big)\,</math> de part et d'autre du point <math>\,C\,</math><ref name="distinction entre point d'attache des fils sur la tige et constante de torsion des fils"> On accepte la même notation pour le point d'attache des deux fils sur la tige et la constante de torsion de ces derniers tant qu'il n'y a pas d'ambiguïté <math>\,\big(</math>ce qui ne devrait jamais arriver compte-tenu du fait que ces deux grandeurs sont de nature différente<math>\big)</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec positions de masselottes identiques }}<math>\,\big(C\,</math> point d’attache des deux fils de torsion sur la tige<math>\big)</math> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre <math>\,\big(</math>en absence de masselottes<math>\big)\,</math> diffère du « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] » de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici l'extrémité supérieure <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil de torsion supérieur est mobile au lieu d'être fixe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur étant dans les deux fixe et <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici la torsion initiale est fournie par rotation propre de <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> d'un angle «<math>\;2\,\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>repéré sur le cercle gradué lié à <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}</math>, position de référence du cercle gradué<math>\big)\,</math> <math>\Rightarrow</math> en pratique, après quelques oscillations, la tige <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}acquiert la position d'équilibre repérée par l'angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>voir vérification ci-dessous<math>\big)\,</math> alors que <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] la torsion initiale est fournie par rotation de la tige d'un angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>également repéré <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>dans le pendule du chap.7 }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}\big)</math>, la position d'équilibre de la tige étant repérée par l'angle nul ; {{Al|5}}<u>vérification de la position d'équilibre de la tige dans le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}orientant les deux fils de torsion du bas vers le haut, quand la tige acquiert la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion supérieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche"> Une hélice est « droite » si le point tourne sur la gauche <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique direct ou encore dans le sens antihoraire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée et <br>{{Al|31}}elle est « gauche » si le point tourne sur la droite <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique indirect ou encore dans le sens horaire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée <br>{{Al|3}}<math>\,\big[</math>revoir aussi la distinction « hélices gauche ou droite » dans le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Mouvement_de_particules_chargées_dans_des_champs_électrique_et_magnétique_:_Cas_particulier_d'un_champ_magnétostatique_uniforme#Nature_hélicoïdale_uniforme_du_mouvement_de_la_particule|nature hélicoïdale uniforme du mouvement de la particule]] » du chap.<math>24</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> d'un angle «<math>\;\theta_1 - 2\;\theta_1 = -\theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil"> L'angle de torsion du fil qui intervient dans le vecteur moment du couple de torsion est l'angle que fait l'extrémité mobile relativement à l'extrémité maintenue fixe même si cette extrémité est fixée avec torsion initiale comme c'est le cas pour le fil supérieur <math>\,\big\{</math>on peut vérifier que cette définition correspond bien au schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » car {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{A_0B_0}\;</math>»}} est lié à l'extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil supérieur et «<math>\;\overrightarrow{AB}\;</math>» à l’extrémité mobile <math>\,C\,</math> et il en est de même pour l'éventuel fil de torsion inférieur<math>\big\}</math>.</ref> par rapport à son extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion supérieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} = -C \left( -\theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion inférieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche" /> d’un angle «<math>\;\theta_1 - 0 = \theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil" /> par rapport à l’extrémité <math>\;O_{\text{inf}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion inférieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = -C \left( \theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = -C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur la tige vérifiant «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} + \vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = \vec{0}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur }}la tige est effectivement en équilibre dans cette position <math>\;\ldots</math> {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <math>\,\big\{</math>ensemble solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC"> L'axe <math>\,\Delta_C\,</math> est le support des fils de torsion.</ref> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemb}}le solide étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles"> Repérée par rapport à la position de l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemble solide étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des masselottes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des masselottes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des masselottes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur"> L'angle de torsion du fil supérieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 2\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation"> Il s'agit de l'application de la puissance instantanée développée par un système de forces extérieures sur un solide en rotation autour d'un axe fixe <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d'un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> quand le système de forces extérieures est équivalent à un couple <math>\,\big[</math>c.-à-d. un système dont la résultante est nulle et dont le moment résultant scalaire relativement à l'axe de rotation définit le moment scalaire du couple<math>\big]</math>.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur"> L'angle de torsion du fil inférieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 0 = \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cin%C3%A9tique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d'un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;</math> est le moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et masselottes » en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_C\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre"> Ce qui suppose que <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> est non identiquement nulle <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\theta(t)\,</math> n'est pas une constante c.-à-d. que le solide n'est pas à sa position d'équilibre.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à droite «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta_1\;</math>», équation différentielle linéaire <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants sans terme du 1^er ordre hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_non_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition non énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] », la présence d'un 2^nd membre constant signifiant que le paramètre caractérisant l'oscillateur dans l'espace n'est pas nul à l'équilibre.</ref> de rotation ; {{Al|5}}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Conséquence_«_le_pendule_de_torsion_(non_amorti)_est_un_oscillateur_harmonique_non_amorti_de_rotation_»|conséquence : le pendule de torsion (non amorti) est un oscillateur harmonique non amorti de rotation]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » ; [[File:Pendule de torsion amorti - vue de dessus.png|thumb|300px|Vue de dessus d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti par substitution d'ailettes planes aux masselottes fixées sur la tige <math>\,\big(</math>les fils de torsion supérieur et inférieur <math>\,\perp\,</math> au plan de la figure ne peuvent y être représentés<math>\big)</math>]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> du }}<math>\big(</math>voir vue de dessus partielle représentée ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre étant écarté initialement comme celui de début de paragraphe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, le pendule ci-contre étant écarté initialement }}la tige acquiert donc une position d'équilibre repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}l'ensemble « tige et ailettes » étant un solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC" /> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant }}le solide est, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant le solide est, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}les actions extérieures sont <math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des ailettes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{ailettte}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des ailettes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des ailettes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{ailette}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu dans lequel se déplace le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] exercent sur les ailettes, modélisées par un <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> }}couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Couple_de_frottement_fluide_linéaire_agissant_sur_le_pendule_par_l’intermédiaire_des_ailettes|couple de frottement fluide linéaire agissant sur le pendule par l'intermédiaire des ailettes]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple }}<math>\big[H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}et du fluide sur lequel frottent les ailettes<math>\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide la puissance instantanée }}selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\,</math> est le moment d'inertie du solide « tige + ailettes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et ailettes » en rotation autour de <math>\,\Delta_C\,</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t) - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t) - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1 - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étudié «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta_1\;</math>», équation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}différentielle linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique" /> de rotation ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Loi_horaire_de_position_angulaire_du_pendule_de_torsion_amorti|loi horaire de position angulaire du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ». == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule pesant non amorti à un degré de liberté - forces extérieures.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté <math>\,\big(</math>schématisé ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_non_amorti_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_du_moment_cinétique_scalaire|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant non amorti (à un degré de liberté) par application du théorème du moment cinétique scalaire]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />. {{Al|5}}Ci-contre schéma de face du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] idéale <ref name="liaison idéale"> C.-à-d. dans laquelle on peut négliger les frottements solides.</ref> du solide en rotation autour de l’axe horizontal <math>\,\Delta_O\;</math><ref name="liaison pivot du pendule"> Pour plus de détails voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Présentation_du_pendule_pesant_(non_amorti)_«_P.P.(N.A.)_»|présentation du pendule pesant (non amorti) P.P.(N.A.)]] (liaison pivot avec le point O) » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Non Amorti.</ref> à un degré de liberté ayant un mouvement de rotation imposé par la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] du solide avec l'axe <math>\,\Delta_O</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté }}son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,O</math>, d'axe <math>\,\Delta_O\,</math> orienté par le vecteur unitaire «<math>\;\vec{u}_{\Delta_O}\;</math>» et <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,\color{transparent}{O}</math>, }}de rayon «<math>\;\mathfrak{a}\;</math>» avec, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. }}<math>G\,</math> repéré par son abscisse angulaire «<math>\;\theta_G(t) = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\overrightarrow{OG}(t) \right\rbrace} = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\vec{u}_r(t) \right\rbrace}\;</math>» <ref name="noté theta"> Noté «<math>\;\theta(t)\;</math>» par la suite en absence d'ambiguïté.</ref> ; {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = \left[ \overrightarrow{OG}(t) \wedge m\;\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_O} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids"> Le moment vectoriel du poids par rapport à <math>\,O\,</math> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)\;</math>» a établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_liaison_sphérique_et_avec_les_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b),_établissement_de_la_nature_plane_du_mouvement_du_C.D.I._G_du_P.P.(N.A.)|dans le cas d'une liaison sphérique et avec les C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), établissement de la nature plane du mouvement du C.D.I. G du P.P.(N.A.)]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] », soit «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\varphi_G}(t)\;</math>» avec <math>\,\vec{u}_{\varphi_G}\,</math> s'identifiant à <math>\,\vec{u}_{\Delta_O}</math>. <br>{{Al|3}}On pouvait aussi déterminer directement le moment scalaire du poids, le schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_«_liaison_pivot_»_ou_d’une_«_liaison_sphérique_avec_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b)_»,_nouveau_repérage_adapté_à_la_nature_rotatoire_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_à_un_degré_de_liberté|dans le cas d'une liaison pivot ou d'une liaison sphérique avec C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), nouveau repérage adapté à la nature rotatoire du mouvement du P.P.(N.A.) à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » étant fait avec le paramètre de position angulaire <math>\,\theta > 0</math>, on observe que le poids tend à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,-\,</math> avec un bras de levier <math>\,\big(</math>distance orthogonale séparant l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du support de <math>\,m\;\vec{g}\big)\,</math> égal à <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où, dans le cas où <math>\,\theta\,</math> est <math>\,> 0</math>, {{Nobr|«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)</math>}} <math>= - \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>» <math>\,\Big\{</math>le résultat est indépendant du signe de <math>\,\theta\,</math> mais si le schéma était fait avec <math>\,\theta < 0</math>, on observerait que le poids tendrait à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,+\,</math> avec un bras de levier <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = + \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = m\;g\;\left[ -\mathfrak{a}\; \sin(\theta) \right] = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>», soit effectivement le même résultat <math>\,\big[</math>avec toutefois une possibilité d'erreur si on oubliait que <math>\,\theta < 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert = -\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\big]\Big\}</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_particulier_où_M_est_en_mouvement_circulaire_d'axe_Δ_et_de_vitesse_angulaire_instantanée_Ω(t)|cas particulier où M est en mouvement circulaire d'axe Δ et de vitesse angulaire instantanée Ω(t)]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> de la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I."> Conditions Initiales.</ref> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O"> On a établi dans la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#cite_note-réduction_à_deux_composantes_de_la_réaction_dans_ces_C.I.-18|¹⁸]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » que la réaction du point <math>\,O\,</math> dans l'hypothèse d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] sur le pendule lancé dans les C.I. <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\,</math> ou <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\,</math> s'écrirait <math>\,\vec{R}(t) =</math> <math>R_{\rho_G}(t)\;\vec{u}_{\rho_G}(t) + R_z(t)\;\vec{u}_z</math>, c.-à-d. que la réaction serait dans le plan vertical de lancement soit encore «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» ; <br>{{Al|3}}on établit de même <math>\,\big[</math>sans que cela ait été exposé dans le chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> que la réaction de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le pendule quels que soient les C.I. de lancement compatibles avec la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] s'écrit «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>».</ref> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul"> En effet la force étant <math>\,\perp\,</math> à l'axe par rapport auquel son moment scalaire est évalué est de bras de levier nul.</ref> auquel s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe"> Le couple étant de moment vectoriel <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta_O</math>.</ref> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée à la date <math>\,t\,</math> par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée développée à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|7}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}sans terme du 1^er ordre ; {{Al|5}}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique"> On appelle « [[w:Solution_de_forme_fermée|solution analytique]] » d'une équation différentielle, une expression mathématique <math>\,\big(</math>souvent dite « formule explicite »<math>\big)\,</math> pouvant s'obtenir par une combinaison d'opérations et de [[w:Fonction_de_référence|fonctions de référence]] <math>\,\big(</math>c.-à-d. fonctions affines, puissances, trigonométriques et exponentielles ainsi que leurs fonctions inverses sur un domaine de définition restreint pour lequel il y a bijection et même certaines solutions d'équations différentielles dites de référence<math>\big)</math>, les opérations étant l'addition, la soustraction, la multiplication, la division et l'extraction de racines.</ref> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’élongations_angulaires_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'élongations angulaires non petites]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il est nécessaire de procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="solution analytique dans le cas d'élongations petites"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Cas_particulier_des_«_petites_élongations_angulaires_»,_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_=_oscillateur_harmonique_(non_amorti)_approché_de_rotation,_période_des_«_petites_oscillations_»|cas particulier des petites élongations angulaires, pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) oscillateur harmonique (non amorti) approché de rotation, période des petites oscillations]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. [[File:Pendule pesant amorti à un degré de liberté - forces extérieures - bis.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures, <math>\,I\,</math> étant le point où la résultante des forces de frottement fluide peut être appliquée]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti <math>\,\big(</math>voir coupe partielle représentée ci-contre<math>\big)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire" /> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I." /> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O" /> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul" /> où s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe" /> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu où se déplace le [[w:Pendule_pesant|pendule]] exercent sur ce dernier, modélisées par <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}un couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_O}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti" />{{,}} <ref name="définition de H"> <math>\,H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]], de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frotte le solide.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Amorti.</ref> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0 - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right] - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_O}}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}avec terme linéaire du 1^er ordre ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique" /> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’amplitudes_initiales_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'amplitudes initiales non petites]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il faut procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique - bis"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » nécessitant néanmoins d'ajouter le terme d'amortissement <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A." />. == « En complément », caractère conservatif du couple de torsion, énergie potentielle de torsion et conservation de l’énergie mécanique du pendule de torsion (non amorti) dans le champ de torsion du fil == {{Al|5}}Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » ne sont pas explicités dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » }}il me semble souhaitable de le retenir <math>\,\big(</math>et bien sûr d’être capable de le retrouver<math>\big)</math>. === Caractère conservatif du couple de torsion === {{Al|5}}Le travail élémentaire d’un couple de torsion s’exerçant sur un solide, de vecteur moment «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t) = -C\;\alpha(t)\;\vec{u}_\Delta\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Expression_du_vecteur_moment_du_couple_de_torsion_exercé_par_le_fil_en_fonction_de_l'angle_de_torsion_«_α(t)_»,_notion_de_constante_de_torsion_«_C_»_du_fil_de_torsion|expression du vecteur moment du couple de torsion exercé par le fil de torsion α(t), notion de constante de torsion C du fil de torsion]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> lors d’une torsion élémentaire «<math>\;d \alpha\;</math>» <ref name="définition de Delta et alpha sur le fil de torsion"> <math>\,\Delta\,</math> étant la direction du fil de torsion orienté par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et «<math>\;\alpha\;</math>» l'angle de torsion algébrisé, défini au niveau de la liaison au solide dans le plan <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta\,</math> et orienté par <math>\,\vec{u}_\Delta</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion }}étant défini selon «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>», <math>\,\big[\overline{\Omega}(t)\,</math> étant la vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt}\;</math>», <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \alpha\;</math>»<math>\big]\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> soit finalement <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon }}«<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -C\;\alpha\; d \alpha\;</math>» correspondant à une différentielle de fonction <math>\Rightarrow</math> le <u>caractère conservatif du couple de torsion</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple"> Pour montrer qu’une force est conservative, on évalue son travail élémentaire en prenant un vecteur déplacement élémentaire quelconque <math>\,\overrightarrow{dM}\,</math> à partir du point d'application <math>\,M\,</math> de la force <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#2ème_définition_(équivalente)_d'une_force_«_conservative_»|2^ème définition (équivalente) d'une force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> ; <br>{{Al|3}}lorsqu'il s’agit d'un couple de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, il faut évaluer son travail élémentaire en envisageant une rotation élémentaire quelconque autour de n'importe quelle direction, le couple est alors conservatif si ce travail élémentaire est une différentielle de fonction mais <br>{{Al|3}}{{Transparent|lorsqu'il s'agit d'un couple }}dans le cas d’un couple de torsion de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, la seule direction autour de laquelle peut s’effectuer une rotation élémentaire est celle du fil c.-à-d. celle de <math>\,\vec{\Gamma}\,</math> et par suite la seule condition pour que le couple de torsion soit conservatif est que son travail élémentaire en considérant une rotation élémentaire autour de la direction du fil de torsion soit une différentielle de fonction ou encore que « le moment scalaire du couple de torsion par rapport au fil ne dépende que de l'angle de torsion <math>\,\alpha\;</math>» C.Q.E.R. <math>\,\big(</math>Ce Qui Est Réalisé<math>\big)</math>.</ref>. === Énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion === {{Al|5}}L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,U_{\text{tors}}\,</math> dont « dérive » le couple de torsion de vecteur moment <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}est définie par «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#1ère_définition_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|1^ère définition de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> c.-à-d. «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(\alpha)\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\,</math> ou <math>\,-C\;\alpha\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <math>\Leftrightarrow</math> «<math>\;\dfrac{dU_{\text{tors}}}{d \alpha} = C\;\alpha\;</math>» soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}en intégrant «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2 + cste\;</math>» ; choisissant la référence de l’énergie potentielle de torsion <math>\;U_{\text{tors}}(\alpha)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle"> C.-à-d. l'endroit où l'énergie potentielle est choisie nulle.</ref> <br>{{Al|7}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> en intégrant «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\alpha) = 2\; C\;\alpha^2 + cste}\;</math>» ; choisissant la référence }}quand le fil n’est pas tordu c.-à-d. <math>\,U_{\text{tors}}(0) = 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = 0</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}l'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d’un fil et sa conservation en absence de frottement === [[File:Pendule de torsion sans masselottes - actions exercées.png|thumb|500px|Schéma d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] représenté sans masselottes additives et avec fil inférieur sans torsion avec ajout des actions exercées sur la tige à l'instant <math>\;t</math>]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec un seul fil de torsion, l'autre fil étant sans torsion <math>\,\big(</math>voir schéma ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec un seul fil de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}la seule action extérieure de moment scalaire non nul par rapport à la direction <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}commune du fil de torsion et du fil sans torsion <math>\;\big(</math>orientée par le vecteur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> étant le couple « conservatif » de torsion <ref name="conservativité du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Caractère_conservatif_du_couple_de_torsion|caractère conservatif du couple de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}moment vectoriel «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}} = -C\;\alpha\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion /> auquel on associe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie potentielle de torsion du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre valant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;U_{\text{tors}}(t) =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion énergie potentielle de torsion }}<math>\,\dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_torsion_du_solide_relié_au_fil_de_torsion|énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}son énergie cinétique à la date <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{pend. tors.}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique }}<math>J_{CO_{\text{sup}}}\,</math> est le moment d'inertie du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] relativement à la <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique <math>\color{transparent}{J_{CO_{\text{sup}}}}\,</math> est }}direction du fil de torsion et du fil sans torsion <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à l'instant <math>\,t\,</math> selon «<math>\;E_m(t) = K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Propriétés_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|propriétés de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] (2^ème propriété) » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha_0 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\alpha(0) = \alpha_0\;</math> et <math>\,\dot{\alpha}(0) = 0\;</math>». [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]]]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige <math>\,\big(</math>voir photographie ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec deux fils de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}il y a deux actions extérieures s'exerçant sur le solide « tige + masselottes » de moment scalaire non nul par rapport à <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}la direction commune <math>\,\Delta_C\,</math> des deux fils de torsion <math>\,\big(</math>orientée par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}élémentaire du solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}prouve le <u>caractère conservatif du couple de torsion du fil supérieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}supérieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = -d U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta = -d U_{\text{tors. sup.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. sup.}}}{d \theta} = C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\,</math> qui s'intègre en <math>\,U_{\text{tors. sup.}}</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,= \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> et, en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. sup.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du solide à l'équilibre » c.-à-d. <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre"> Revoir l'explication rappelée dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans le chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil supérieur du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta_1 - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_1 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion"> Symboliquement l'énergie potentielle d'un solide dans le champ de torsion d'un fil de torsion s'obtient, à une constante additive près, par la moitié du produit de la constante de torsion du fil et du carré de l'angle de torsion, à l'instant <math>\;t</math>, du fil au point d'attache du solide.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation élémentaire du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\; \theta(t)\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et prouve le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<u>caractère conservatif du couple de torsion du fil inférieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}inférieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = -d U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\;\theta\;d \theta = -d U_{\text{tors. inf.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. inf.}}}{d \theta} = C\; \theta\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{tors. inf.}} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} + cste_2\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. inf.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position du solide à l'équilibre » c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil inférieur du solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2} + cste_2 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_2 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}finalement l'énergie potentielle globale de torsion du solide « tige + masselottes » <math>\,\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale }}s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = U_{\text{tors. sup.}}(\theta) + U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» ou, en simplifiant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale s'écrit }}«<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2\;</math>» <ref> En effet <math>\,\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + 2\;C\; \theta_1^{\,2} + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + C\; \theta_1^{\,2} = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2</math>.</ref>{{,}} <ref> Cette énergie potentielle de torsion du solide « tige + masselottes » est la même que celle que l'on obtiendrait avec un seul fil de torsion de constante de torsion <math>\,2\,C</math>, l'autre fil étant sans torsion avec la référence en la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>.</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule ci-dessus étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «<math>\;\color{transparent}{K_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#%Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torion par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique de l'ensemble tige + masselottes) » plus haut dans ce chapitre.</ref> avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule }}<math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion des deux fils définie, à l'instant <math>\,t\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie mécanique }}«<math>\;E_m(t) = K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}\! \left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\alpha\;</math>» dans le 1^er exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] ou <br>{{Al|57}}celui «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta - \theta_1 \right]^2 \,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du 2^ème exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|même]] paragraphe <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}étant parabolique, nous retrouvons la <u>2^ème définition d’un oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math>de rotation<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_(équivalente)_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition (équivalente) énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. <br>{{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> de son mouvement dans le 2^ème exemple du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}«<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2 = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>», <br>{{Al|58}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}les C.I. <ref name="C.I." /> étant «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}est donc une <u>ellipse décrite dans le sens horaire</u> <ref name="portrait de phase d'un socillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Tracé_du_portrait_de_phase_de_la_charge_du_condensateur_d'un_«_R_L_C_série_»_soumis_à_un_échelon_de_tension_suivant_le_cœfficient_d'amortissement|propriétés des portraits de phase de la charge du condensateur d'un RLC série soumis à un échelon de tension suivant le cœfficient d'amortissement]] (cas d'un circuit oscillant non amorti en vert) » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. == Conservation de l’énergie mécanique du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) dans le champ de pesanteur uniforme == === Énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant === {{Al|5}}Dans le cas d'un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref><math>\big)</math>, le poids du solide étant la seule action extérieure travaillant et ce dernier étant conservatif <ref name="poids d'un objet conservatif"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Établissement_du_caractère_«_conservatif_»_du_poids_d'un_point_matériel_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|établissement du caractère conservatif du poids d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, }}on lui associe l'énergie potentielle de pesanteur «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta)\;</math>» <ref name="énergie potentielle de pesanteur"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#«_Énergie_potentielle_de_pesanteur_d'un_point_matériel_»_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|énergie potentielle de pesanteur d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> déterminée en intégrant «<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = -dU_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> avec <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)\,</math> travail élémentaire du poids lors d'une rotation élémentaire d'angle <math>\,d \theta = \dot{\theta}(t)\;dt\,</math> autour de <math>\,\Delta_O\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe «<math>\;\color{transparent}{\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)}\,</math>}}<math>= \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;dt = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)\;dt = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;d \theta\;</math>» <ref name="travail élémentaire du poids du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (actions extérieures exercées sur le solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> d'où <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}<math>\,-dU_{\text{pes}} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\;d \theta\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{pes}}}{d \theta}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\,</math> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right) + cste\;</math>» <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}soit, en choisissant comme référence de l'énergie potentielle <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> « la position <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}d'équilibre stable de ce dernier <ref name="équilibre stable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessous de ce dernier.</ref> <math>\,\theta_{\text{éq. stable}} = 0\;</math>» d'où <math>\,U_{\text{pes}}(0) = 0\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}<math>\Rightarrow</math> <math>\,0 = -m\;g\;\mathfrak{a} + cste\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = m\;g\;\mathfrak{a}\,</math> d'où l'expression de <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}l'énergie potentielle de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> se réécrit selon <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta \right) \right]\;</math>» <ref> Pour trouver l'expression de l'énergie potentielle de pesanteur on peut aussi utiliser <math>\,\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = m\;g\;dz_G = -dU_{\text{pes}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{pes}} = -m\;g\;z_G + cste\,</math> sachant que <math>\,z_G = \mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right)\,</math> avec pour position d'équilibre stable <math>\,z_{G,\,\text{éq. stable}} = \mathfrak{a}</math> <math>\;\ldots</math></ref> <math>\,\big(</math>référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : la position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement === {{Al|5}}Considérant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A." /><math>\big)</math>, l'énergie potentielle de pesanteur étant «<math>\;U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right] = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\,</math> avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> <math>\,\theta_{\text{équi. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P."/> » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> et <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie cinétique du solide constituant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique du solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> dans laquelle <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie cinétique}}«<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du solide par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie mécanique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> dans le champ de pesanteur «<math>\;E_m\!(t) = K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) + U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right]</math> <br>{{Al|23}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie mécanique du P.P.N.A. dans le champ de pesanteur «<math>\;\color{transparent}{E_m\!(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{P.P.N.A.}}(t) + U_{\text{pes}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P..P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\,\left[ 1 - \cos(\theta) \right]\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}n'étant pas parabolique <math>\,\big(</math>mais sinusoïdal<math>\big)</math>, nous pouvons affirmer que <u>le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> n'est pas un oscillateur harmonique</u> <math>\,\big(</math>quand il est en situation d'osciller<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <math>\blacktriangleright\;</math>« oscillatoire pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'énergie mécanique initiale du P.P.N.A. vaut «<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^2 + m\;g\; \mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta_0 \right) \right]\;</math>».</ref> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. est }}<math>\blacktriangleright\;</math>« révolutive pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="étude du mouvement d'un P.P.N.A. par diagramme d'énergies"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Étude_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_dans_le_cas_général_des_élongations_angulaires_non_petites_par_diagramme_énergétique|étude du mouvement du P.P.(N.A.) dans le cas général des élongations angulaires non petites par diagramme énergétique]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}de démontrer, avec utilisation simultanée de l'intégrale 1^ère énergétique <ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'intégrale 1^ère énergétique du P.P.N.A. s'écrit «<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^{\,2} + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet de démontrer, }}la nature « périodique <math>\,\big(</math>oscillatoire ou révolutive<math>\big)\;</math>» ainsi que <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}d’établir l’expression de la période sous forme intégrale <math>\ldots</math> {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Les [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d’un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ayant pour équation implicite l’intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\;</math><ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" /> de son mouvement lequel dépend de la valeur de l'énergie mécanique initiale <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />, <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. }}diffèrent suivant <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="différents portraits de phase d'un P.P.N.A."> Voir les paragraphes « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Tracé_des_portraits_de_phase_dans_le_cas_général_«_d'oscillations_ou_de_mouvement_révolutif_»_d'un_P.P.S._lancé_dans_les_C.I._«_1b_U_1a_»|tracé des portraits de phase dans le cas général d'oscillations ou de mouvement révolutif d'un P.P.S. lancé dans les C.I. 1b U 1a]] » du chap.<math>12</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\,\big(</math>l'allure des [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti étant la même que ceux d'un [[w:Pendule_simple|pendule simple]] non amorti<math>\big)\,</math> et « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Différents_portraits_de_phase_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté),_«_bifurcation_»_entre_mouvement_«_pendulaire_»_et_révolutif|différents portraits de phase du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté), bifurcation entre mouvement pendulaire et révolutif]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>pendulaire</u> <ref name="pendulaire"> Adjectif synonyme d'« oscillatoire ».</ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>fermé</u>, décrit dans le « <u>sens horaire</u> » <ref name="justification du sens horaire"> Ou « trigonométrique indirect », en effet « quand <math>\,\dot{\theta}\,</math> est <math>\,> 0</math>, <math>\,\theta \nearrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \nearrow\,</math> puis <math>\,\searrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule » ensuite «<math>\;\dot{\theta}\,</math> est <math>\,< 0</math>, correspondant à <math>\,\theta \searrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \searrow\,</math> puis <math>\,\nearrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule de nouveau » <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}avec le point «<math>\;\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)\;</math>» comme « <u>centre de </u>{{Nobr|<u>symétrie</u> » <ref name="justification du centre de symétrie"> Invariance de l’équation en changeant «<math>\;\theta\,</math> en <math>\,-\theta\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des vitesses angulaires <math>\,\big(</math>en fait antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>» et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Invariance de l’équation }}en changeant «<math>\;\dot{\theta}\,</math> en <math>\,-\dot{\theta}\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des abscisses angulaires <math>\,\big(</math>là encore c'est une antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|3}}l’association des deux symétries axiales <math>\,\big(</math>ou plutôt des deux antisymétries axiales<math>\big)\,</math> donnant un centre de symétrie pour l'intersection des deux axes <math>\,\big[</math>le point d'intersection des deux axes étant réellement une symétrie centrale <math>\,\big(</math>et non une antisymétrie centrale<math>\big)</math>.</ref>}} <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, avec le point «<math>\;\color{transparent}{\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)}\;</math>» }}correspondant à la position d’équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /> du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ; <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> }}<math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>révolutif</u>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>ouvert</u>, constitué de la <u>répétition du motif de l'intervalle</u><math>\;\left] -\pi\, , \, \pi \right]</math>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase }}répété <math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \nearrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} > 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 > 0\;</math>» ou <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase répété }}<math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \searrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} < 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 < 0\;</math>», <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)\;</math>» et celui avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,-\dot{\theta}_0 > 0 \right)\;</math>» <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, le portrait de phase avec C.I. «<math>\;\color{transparent}{\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)}\;</math>» }}étant <u>antisymétriques</u> l'un de l'autre, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>maxima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre stable</u> <ref name="équilibre stable du P.P." /> «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres stables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» ;<br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}\;</math>»<math>\big)\;</math> alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big)</math>.</ref> et <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>minima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre instable</u> <ref name="équilibre instable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessus de ce dernier.</ref> «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;</math> <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, les minima de<math>\;\color{transparent}{\vert \dot{\theta} \vert}\;</math>obtenus pour les positions d’équilibre instable «<math>\;\color{transparent}{\theta_{\text{éq. inst.}} =}</math> }}<math>\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres instables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = -\left( 2\;p' + 1 \right)\, \pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big[</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big]\;</math>.</ref>. == « Généralisation » à tout « solide » : « théorème de la variation de l’énergie mécanique » et la forme locale associée « le théorème de la puissance mécanique », application au cas d’un solide amorti == {{Al|5}}Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à la généralisation à tout système de points matériels ou continu de matière « indéformable » <ref name="solide au sens de la mécanique" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à }}la généralisation aux systèmes de points matériels ou continus de matière « déformables » sera faite dans le chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Lois_de_l'énergie_cinétique_pour_un_système_déformable_de_points_matériels#«_En_complément_»,_théorème_de_la_variation_de_l’énergie_mécanique_appliqué_à_un_système_de_matière_déformable_dans_le_champ_des_forces_extérieures_et_intérieures_conservatives_et_sa_forme_locale_«_le_théorème_de_la_puissance_mécanique_»|en complément : théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un système de matière déformable dans le champ des forces extérieures et intérieures conservatives et sa forme locale le théorème de la puissance mécanique]] » du chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. === Théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s’écrivant «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\bullet\;</math>celles qui sont conservatives <math>\,\big(</math>lesquelles « dérivent » d’une énergie potentielle<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{ransparent}{\bullet}\;</math>}}dont le travail pendant cette durée finie est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées }}<math>\bullet\;</math>celles qui sont non conservatives <ref name="non conservatives"> Ou, si elles sont conservatives, dont on ne considère pas le caractère « conservatif ».</ref> dont le travail pendant cette durée finie <br>{{Al|12}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>celles qui sont non conservatives dont }}est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}d'où «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou, avec «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, }}<math>\big(U_{\text{ext}}\,</math> étant l'énergie potentielle dont dérivent les forces conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, <math>\color{ransparent}{\big(}</math>}}définie à une constante additive près précisée par choix de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}<math>\Rightarrow</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» d’où la réécriture du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « solide <math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\left( \mathcal{S} \right)} + U_{\text{ext}} \right] = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» où on reconnaît dans le 1^er membre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}la variation de l’énergie mécanique «<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t) + U_{\text{ext}}\!(t)\;</math>» du solide «<math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le champ des forces conservatives sur la durée <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> dans le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où dans le champ des forces conservatives }}référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen d'où, finalement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}le lien entre la variation de l'énergie mécanique du « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;\Delta E_m = E_{m,\,\mathcal{F}} - E_{m,\,\mathcal{I}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» le lien }}le travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> sur cette même durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}«<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» applicable à un solide dans un référentiel d’étude galiléen, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}l'énoncé du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie dans un référentiel galiléen <ref> Ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. sous la forme où il existe des forces extérieures non conservatives dissipatives mais, comme le cas où toutes les forces extérieures travaillant sont conservatives est clairement explicité <math>\,\big(</math>sous la forme de la conservation de l’énergie mécanique du solide<math>\big)</math>, le cas où il existe des forces extérieures travaillant et non conservatives <math>\,\big(</math>comme des forces de frottement<math>\big)\,</math> s’appliquant à un solide peut difficilement être ignoré d'où l'ajout du théorème sous sa forme la plus générale <math>\;\ldots</math></ref>. : {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}<math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <math>\,K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation «<math>\;\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» }}égale au travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale au travail }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire dans un référentiel galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique }}se déduit aisément de sa forme sur une durée finie soit {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}conservatives <math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}<math>K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> <math>\color{transarent}{K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)}\,</math> l'énergie cinétique }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation élementaire«<math>\;d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t)\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» }}égale au travail élémentaire des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» égale au travail }}appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;d E_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide }}est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée finie ou élémentaire se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>». === Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de la puissance mécanique est la forme locale associée à la forme intégrée <ref name="forme intégrée de forme locale" /> “ théorème de la variation de l'énergie mécanique sur une durée finie ou élémentaire ” ; {{Al|5}}pour obtenir cette forme locale on écrit le théorème de la variation de l’énergie mécanique d’un solide dans le champ des forces extérieures conservatives entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math><ref> C.-à-d. la forme élémentaire du théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un solide.</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on écrit }}«<math>\;dE_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\,</math> dans un référentiel galiléen » puis, <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on divise les deux membres par <math>\,dt\,</math> soit «<math>\;\dfrac{dE_m}{dt} = \dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{dE_m}{dt}\;</math>» est la dérivée temporelle de l’énergie mécanique du solide dans le champ des forces extérieures conservatives définissant <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}la puissance mécanique du solide à l'instant <math>\,t\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives, notée «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» la puissance instantanée développée, à l'instant <math>\,t</math>, par les forces extérieures non conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}appliquées au solide notée «<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on obtient «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» d'où l'énoncé du théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen : {{Théorème|titre=Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide »|contenu = {{Al|5}}La puissance mécanique à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> <math>\big[</math>avec, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie mécanique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{ext}}(t)}\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces }}conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math>» l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique }}est égale à la puissance instantanée développée par les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique est égale à }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> au même instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide à un instant <math>\,t\,</math> quelconque se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}c.-à-d., après intégration, « la conservation de l’énergie mécanique du solide précédemment défini ». === Application au cas d’un solide amorti === {{Al|5}}Parmi les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées à un solide et travaillant, « les plus fréquentes sont dissipatives » <ref> Mais elles peuvent aussi être motrices par exemple, si nous souhaitons que les oscillations d’un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ou d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] perdurent alors qu’existent naturellement des frottements {{Nobr|<math>\,\big(</math>même}} minimes<math>\big)</math>, il est nécessaire de les entretenir à l’aide d’une force extérieure motrice compensant les forces de frottement, cette force motrice étant alors usuellement non conservative tout comme le sont les forces de frottement.</ref> comme les forces de frottement fluide <math>\,\big(</math>ou solide<math>\big)</math> ; {{Al|5}}si les seules forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> travaillant sont des forces de frottement s'exerçant sur un solide en mouvement dans un référentiel galiléen, <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces }}conservatives <ref name="théorème de la puissance mécanique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_la_puissance_mécanique_appliqué_à_un_«_solide_»|théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}s’écrivant «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{frott}}\!(t) < 0\;</math>» dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}l'énergie mécanique de ce solide «<math>\;E_m(t) \searrow\,</math> au sens strict » avec <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}</math> <math>\big(</math>il est qualifié d'« amorti »<math>\big)</math>. ==== Cas particulier du pendule de torsion amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] dont la photographie est dans un « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|paragraphe plus haut dans ce chapitre]] » mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}avec les masselottes remplacées par des ailettes comme présenté dans le schéma de vue de dessus de la « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|remarque du paragraphe précité]] », <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d'un fil et sa conservation en absence de frotemment]] (2^ème exemple) » plus haut dans ce chapitre dans lequel <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> doit être remplacée par <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})</math>.</ref> dans le référentiel <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « }}<math>\big\{</math>avec <math>\,U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> la position d'équilibre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « <math>\color{transparent}{\big\{}</math>avec <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2}\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence }}du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}on en déduit la puissance mécanique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;\dot{E}_m(t) = J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + 2\;C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]\,\dot{\theta}(t)\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}la puissance du couple de frottement fluide linéaire <math>\,\big(</math>seules forces extérieures non conservatives travaillant de moment scalaire par rapport à l'axe de rotation du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion la puissance du couple de frottement fluide linéaire <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>}}<math>\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion" />, <math>\,H\,</math> étant une constante positive <ref> Exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frottent les ailettes.</ref><math>\big)\,</math> <br>{{Al|6}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion la puissance du couple de frottement fluide linéaire }}agissant sur les ailettes du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étant «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] (remarque : actions extérieures exercées sur l'ensemble “ tige et ailettes ”) » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}le théorème de la puissance mécanique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» ou <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» ou encore, <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + 2\;C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]\,\dot{\theta}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}après simplication par <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> non identiquement nulle <ref name="hors position d'équilibre" /> et normalisation <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <ref> Identique à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Identique }}à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] (2^ème exemple où les masselottes sont remplacées par des ailettes) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <center>«<math>\;\ddot{\theta}(t) + + \dfrac{H}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta_1\;</math>».</center> ==== Cas particulier du pendule pesant à un degré de liberté amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] à un degré de liberté dont le schéma est dans un « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|paragraphe plus haut dans le chapitre]] » dans lequel <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}des frottements fluides linéaires agissent sur le [[w:Pendule_pesant|pendule]] comme présentées dans le schéma de la « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|remarque du paragraphe précité]] », <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}l'énergie mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frotemment]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> dans le référentiel <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté l'énergie mécanique du P.P.A. étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « }}<math>\big\{</math>avec <math>\,U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\,</math> l'énergie potentielle de pesanteur <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté l'énergie mécanique du P.P.A. étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « <math>\color{transparent}{\big\{}</math>}}la position d'équilibre stable du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> <math>\,\theta_{\text{équi. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P."/><math>\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}on en déduit la puissance mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." />, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;\dot{E}_m(t) = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \sin\! \left[ \theta(t) \right]\,\dot{\theta}(t)\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}la puissance des forces de frottement fluide linéaire <math>\,\big(</math>seules forces extérieures non conservatives travaillant de moment scalaire par rapport à l'axe de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté la puissance des forces de frottement fluide linéaire <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>}}rotation du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] <math>\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_O}(t) = -H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="moment scalaire des forces de frottement fluide sur pendule pesant"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <math>\,H\,</math> étant une constante positive <ref> Exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]], de la forme de celui-ci par rapport à l'axe et du fluide sur lequel il frotte.</ref><math>\big)\,</math> <br>{{Al|6}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté la puissance des forces de frottement fluide linéaire }}agissant sur le [[w:Pendule_pesant|pendule]] étant «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_O}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (remarque : actions extérieures exercées sur le solide du pendule) » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» ou <br>{{Al|20}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» ou encore, <br>{{Al|20}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \sin\! \left[ \theta(t) \right]\,\dot{\theta}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou <br>{{Al|20}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}après simplication par <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> non identiquement nulle <ref name="hors position d'équilibre" /> et normalisation <br>{{Al|20}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] amorti <ref> Identique à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Identique }}à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (remarque établissement de l'équation différentielle du P.P.A.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|20}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + + \dfrac{H}{J_{\Delta_O}}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>». == Notes et références == <references /> {{Bas de page | idfaculté = physique | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie|Approche énergét. du mouv. d'un sol. en rotat. autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels|Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels]] }} 8dfqro1rduhb38gn24kx6uhtzwt6qcx 987958 987957 2026-11-01T04:16:16Z Phl7605 31541 /* Définition du travail du système des forces extérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final */ 987958 wikitext text/x-wiki {{Chapitre | idfaculté = physique | numéro = 12 | niveau = 14 | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie/]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels/]] }} <center>Ce chapitre est traité dans le cadre de la dynamique newtonienne avec ajout de quelques éléments de dynamique relativiste.</center> == Théorème de l'énergie cinétique d’un système de matière, cas d’un solide en rotation autour d’un axe fixe == {{Al|5}}Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}est évidemment à connaître comme forme intégrée de la forme locale <ref name="forme intégrée de forme locale"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Lois_de_la_puissance_et_de_l'énergie_cinétiques#Différence_entre_«_forme_locale_de_la_dynamique_»_et_«_forme_intégrée_associée_à_cette_forme_locale_»|différence entre forme locale de la dynamique et forme intégrée associée à cette forme locale]] » du chap.<math>15</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> « théorème de la puissance <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}cinétique d'un système de matière » laquelle est inscrite explicitement dans le programme <math>\;\ldots</math> === Définition du travail du système des forces extérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque"> Par « système de matière quelconque » il faut entendre « système fermé discret de points matériels ou continu de matière » « déformable ou non ».</ref> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1"> A priori <math>\,N\,</math> pourrait être égal à <math>\,1\,</math> mais ce ne serait plus un système de points matériels mais un simple point matériel.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes"> C.-à-d. l’ensemble des paramètres de position et de vitesse de tous les points à l'instant de définition de l'état, tous ces paramètres permettant d’y décrire le système.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> entre }}l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Expression_du_travail_élémentaire_de_la_force_dont_le_point_d’application_subit_le_vecteur_déplacement_élémentaire_correspondant_à_la_durée_élémentaire_de_développement_de_sa_puissance|expression du travail élémentaire de la force dont le point d'application subit le vecteur déplacement élémentaire correspondant à la durée élémentaire de développement de sa puissance]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - bis"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="infiniment proches"> Instants infiniment proches.</ref>, son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité volumique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance volumique <math>\,\mathcal{P}_{\text{vol},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t)</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité surfacique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance surfacique <math>\,\mathcal{P}_{\text{surf},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} =</math> <math>\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) =</math>}} <math>\sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité linéique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance linéique <math>\,\mathcal{P}_{\text{lin},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right] dt\;</math>».</ref>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« chaque point <math>\,\color{transparent}{M_i}\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> entre «<math>\;\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\;</math>» }}son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\,</math> étant aussi tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces extérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces extérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" />. === Définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est également présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2"> Pour l'existence de forces intérieures appliquées à un système, <math>\,N\,</math> doit être évidemment <math>\,\geqslant\,</math> à <math>\,2</math>.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes" /> et l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" /> sachant que <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir }}le système des forces intérieures s'exerçant sur le système discret fermé de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le système des forces intérieures }}est défini comme « l'ensemble des forces <math>\,\vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t)\,</math> que chaque point <math>\,M_j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, exerce sur chaque point <math>\,M_i,\;\;i \neq j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math>» <ref name="système de forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Forces,_principe_des_actions_réciproques#Système_des_forces_intérieures_s’exerçant_sur_un_système_de_points_matériels_fermé|système des forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math> entre les instants <math>\;t\;</math> et <math>\;t + dt\;</math> selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i} \right]\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - ter"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> dans lequel, chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \mu(M')\;d \mathcal{V}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bivolumique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}}{d \mathcal{V}_{M'}\;d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \sigma(M')\;d S_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\;</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bisurfacique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}}{d S_{M'}\;d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \lambda(M')\;d \mathit{l}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\;\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bilinéique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}}{d \mathit{l}_{M'}\;d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace dt\;</math>».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces intérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces intérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière" />. {{Al|5}}<u>Remarque 1</u> : Le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures }}peut aussi être défini à partir de la puissance instantanée développée par les forces intérieures s’exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="définition de la puissance développée par les forces intérieures"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Définition_2|définition]] (de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures peut aussi être défini }}selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - tetra"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : }}le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}s'obtenant en ajoutant tous les travaux élémentaires de <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}peut se calculer à partir de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> peut se calculer }}par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>». {{Al|5}}<u>Remarque 2</u> : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math><ref name="définition du référentiel Rj"> Le référentiel «<math>\;\mathcal{R}_j\;</math>» est le référentiel lié à <math>\,M_j\,</math> en translation par rapport au référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#cite_note-puissance_des_forces_intérieures_s'exerçant_sur_système_continu_de_matière_-_ter-55|⁵⁵]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> dans le référentiel <math>\,\color{transparent}{\mathcal{R}}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}_{\text{int}}(t)}</math> }}<math>= \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Autres_expressions_équivalentes|autres expressions équivalentes]] de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj"> Le point <math>\,M_i\,</math> décrivant dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_j</math> <math>\,\big[</math>lié à <math>\,M_j\,</math> et en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\big]\,</math> une trajectoire particulière <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}\;</math> entre les deux instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t)\big]\,</math> étant tangent à <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}</math>.</ref> ou <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures «}}<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right]\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : }}de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière" />{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" />{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" />. {{Al|5}}<u>Remarque 3</u> : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nulle <ref name="puissance des forces intérieures en général non nulle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (1^ère conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu"> Système discret de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique"> Le système se comporte donc comme un solide au sens de la mécanique.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures nulle pour un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (3^ème conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = 0\;\;\forall\;t\,</math> pour <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = 0\;\;\forall\;\left[ t\,,\,t + dt \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> le devient }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = 0\;\;\forall\;\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> ». === Théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Partant du théorème de la puissance cinétique appliqué, à l'instant <math>\,t</math>, à un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Énoncé|énoncé]] du théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> dans lequel <math>\,\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math> est la puissance cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{ext}}(t)\,</math> la puissance développée par les forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\,</math> celle développée par les forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la même date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on multiplie par <math>\,dt\,</math> pour obtenir la forme élémentaire du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir la forme élémentaire }}entre «<math>\;t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\;</math>» où <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> est la variation élémentaire d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{ext}}\,</math> le travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{int}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur le même <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on intègre entre <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique }}entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec <math>\,\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\,</math> variation d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\,</math> }}sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> le travail des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> le travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> celui des forces intérieures }}sur le même <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>. {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> étant nul quel que soit le mouvement du système » <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Définition_du_travail_du_système_des_forces_intérieures_appliquées_à_un_«_système_de_matière_»_entre_un_état_initial_et_un_état_final|définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un système de matière entre un état initial et un état final]] (remarque 3) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul }}<math>\Rightarrow</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide sous sa forme élémentaire ou <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide }}sur une durée finie : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière en translation » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière"> Système fermé discret fermé de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> en translation » <ref name="système en translation"> Un « système de matière en translation » ne se déformant pas peut aussi être qualifié de « solide » au sens de la mécanique.</ref>, tous les points ont le même vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> égal à celui du C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> <math>\,G\,</math> du système, d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\!G}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <ref name="signification du travail élémentaire développé par les forces extérieures appliquées à un système en translation"> Dans cette 3^ème expression «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» est aussi « le travail élémentaire qui serait développé, sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\,t + dt \right],</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>, par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans <math>\,\mathcal{R}\;</math>» <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», ce dernier s'obtenant par application du théorème du mouvement du C.D.I. <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Principe_fondamental_de_la_dynamique_et_théorème_de_la_résultante_cinétique#Énoncé_du_théorème_(dynamique_newtonienne)|énoncé du théorème (dynamique newtonienne)]] du mouvement du C.D.I. d'un système » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> correspondant aussi à l'application de la r.f.d.n. <math>\,\big(</math>relation fondamentale de la dynamique newtonienne<math>\big)\,</math> au point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>» sur lequel s'exercerait la résultante dynamique<math>\big\}</math>.</ref> dans laquelle «<math>\;\vec{F}_{\text{ext}}(t)\;</math> est la résultante <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}«}}dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» <ref> Voir les paragraphes « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_en_translation_»|cas d'un système de matière en translation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » et « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissancce développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces intérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{int},\,\text{syst. en transl.}} = 0\;</math>» <ref name="système en translation" />{{,}} <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>de la variation élémentaire de l'énergie cinétique du système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en transl.}}\;</math>» avec «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="signification de l'énergie cinétique d'un système en translation"> Dans cette 2^ème expression «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» est aussi « l'énergie cinétique newtonienne du point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans {{Nobr|<math>\,\mathcal{R}\,</math>»}} <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», tous les points du système en translation ayant même vitesse que le C.D.I. <math>\,G\big\}</math>.</ref> l'énergie cinétique <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, dans le cadre de la cinétique newtonienne <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en translation"> Voir le paragraphe « énergie cinétique dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Cas_d'un_système_en_translation|cas d'un système en translation]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique }}appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" />{{, }} <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque dans un référentiel galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> nous obtenons : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un référentiel <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière en translation <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> étant le C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> et <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =}</math> }}la résultante dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\,</math> ou <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste"> Applicable sous cette forme dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste.</ref> avec <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="système fermé de matière" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système en translation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =</math> <math>K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail effectué par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail effectué par la résultante dynamique }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <br>{{Al|208}}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Ce théorème <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais il doit bien sûr être connu <ref> Sans doute ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. car on considère usuellement un système de matière en translation comme un point matériel <math>\,\big(</math>le C.D.I. <math>\,G\,</math> du système<math>\big)\,</math> sur lequel s'exerce la résultante dynamique du système et, selon ce point de vue, le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un système de matière en translation n'est rien d'autre que le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un point matériel, lequel est, quant à lui, au programme <math>\;\ldots</math></ref>. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}<u>Préliminaire</u> : Un « système <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » peut, a priori, se déformer <ref name="système en rotation autour d'un axe"> Par exemple, en se dilatant, c.-à-d. que chaque point du système, en plus de sa rotation autour d'un axe fixe, s'éloigne radialement de cet axe <math>\,\big(</math>la vitesse d'éloignement pouvant être différente d'un point à un autre<math>\big)\,</math> mais dans ce cas il ne s'agit pas d'une rotation « pure » <math>\;\ldots</math> <br>{{Al|3}}Pour maintenir une même vitesse angulaire à un instant <math>\,t\,</math> pour tous les points d'un « système déformable », il faut que le mouvement orthoradial de chacun des points soit corrélé au mouvement radial correspondant, avec absence de mouvement axial, c.-à-d. que, pour deux points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> tels que la droite <math>\,M_iM_j\,</math> recoupe l'axe <math>\,\Delta\,</math> perpendiculairement en <math>\,H_{i,\,j}</math>, <math>\,\big[</math>les points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> ayant donc même abscisse angulaire <math>\,\theta_{i,\,j}(t)\big]\,</math> on ait <math>\,\dot{\theta}_{i,\,j}(t) = \overline{\Omega}(t)</math> <math>\,\big[</math>donc indépendant de <math>\,\left( i\,,\, j \right)\big]\,</math> pour tout instant <math>\,t\,</math> et pour tout couple <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> dont les éléments ont même abscisse angulaire, ces conditions étant très contraignantes sont quasiment jamais réalisées naturellement <math>\;\ldots</math></ref>, toutefois, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Préliminaire : un « système <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>fermé<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » }}il est, en pratique, indéformable et est alors qualifié de « solide » au sens de la mécanique ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Préliminaire : }}l’exposé ci-dessous s'applique à un système discret <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de points matériels ou un système continu <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}<u>Exposé</u> : Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière" /> indéformable, en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe <math>\,\Delta</math>, fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen », <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}tous les points ont le même vecteur rotation instantanée <math>\,\vec{\Omega}(t) = \overline{\Omega}(t)\;\vec{u}_{\Delta}\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\big[\vec{u}_{\Delta}\,</math> étant le vecteur unitaire orientant l'axe de rotation <math>\,\Delta\,</math> et <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\big[}</math>}}autour de cet axe de rotation <math>\,\Delta\big]\,</math> d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe"> Expression ne nécessitant pas que l'axe <math>\,\Delta\,</math> soit fixe, la fixité de l'axe dans un référentiel intervenant quand ce dernier est galiléen et quand on utilise l'un des théorèmes fondamentaux de la dynamique de rotation des systèmes <math>\,\big\{</math>par exemple le théorème de l'énergie cinétique établi dans ce paragraphe mais le traavail élémentaire déveeloppé par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» ne nécessite pas que <math>\,\Delta\,</math> soit fixe<math>\big\}</math>.</ref>{{,}} <ref name="travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur un système en rotation"> Voir le paragraphe « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> {{Nobr|«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)</math>}} <math>= \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;</math>» et le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\delta W\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right] = \mathcal{P}\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right]\;dt\;</math>» puis, en faisant la somme membre à membre de façon à définir le travail élémentaire du sytème des forces extérieures s'exerçant sur le système en rotation «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)\;dt\;</math>».</ref> où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> est le moment <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» ou, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>du travail élémentaire }}avec «<math>\;\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta\;</math>» dans lequel <math>\,\theta(t)\,</math> est l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, la réécriture <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>,«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>de la variation de l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}}\;</math>» avec, l'énergie cinétique, à l'instant <math>\,t</math>, de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le cadre de la cinétique newtonienne «<math>\;K_{\text{syst. en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en rotation autour d'un axe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d’un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d’un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> avec «<math>\;J_\Delta\,</math> le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}relativement à <math>\,\Delta\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe"> Voir la notion de moment d'inertie d'un système discret ou continu dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Application_à_un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe#Application_au_cas_d'un_«_système_fermé_de_matière_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe_«_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|application d'un système fermé de matière en rotation autour d'un axe Δ fixe quelconque dans un référentiel d'étuide galiléen]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> d'où, en cinétique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> appliqué à un solide <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_solide_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d'un système }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> avec «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» et «<math>\;\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <math>\,\overline{\Omega}(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}<math>= \dot{\theta}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> encore égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>avec <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> et <math>\,\theta(t)\,</math> l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" />, sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail du moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail du }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[\theta(t)\,</math> étant l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation est égale au travail du «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[\theta}\,</math> étant l'abscisse angulaire }}à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> étant le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = 2\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)}\;</math>» <math>\,\big[</math>}}<math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] <math>\,\big(</math>photographié ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_(non_amorti)|mise en équation différentielle du mouvement du pendule de torsion (non amorti)]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Théorème_de_la_puissance_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_autour_d'un_axe_Δ_fixe_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe dans un référentiel d'étude galiléen]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. {{Al|5}}Ci-contre le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec deux fils de torsion identiques de même constante de torsion «<math>\;C\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec }}positions de masselottes identiques <math>\,\big(</math>sauf pour la couleur<math>\big)\,</math> de part et d'autre du point <math>\,C\,</math><ref name="distinction entre point d'attache des fils sur la tige et constante de torsion des fils"> On accepte la même notation pour le point d'attache des deux fils sur la tige et la constante de torsion de ces derniers tant qu'il n'y a pas d'ambiguïté <math>\,\big(</math>ce qui ne devrait jamais arriver compte-tenu du fait que ces deux grandeurs sont de nature différente<math>\big)</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec positions de masselottes identiques }}<math>\,\big(C\,</math> point d’attache des deux fils de torsion sur la tige<math>\big)</math> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre <math>\,\big(</math>en absence de masselottes<math>\big)\,</math> diffère du « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] » de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici l'extrémité supérieure <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil de torsion supérieur est mobile au lieu d'être fixe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur étant dans les deux fixe et <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici la torsion initiale est fournie par rotation propre de <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> d'un angle «<math>\;2\,\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>repéré sur le cercle gradué lié à <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}</math>, position de référence du cercle gradué<math>\big)\,</math> <math>\Rightarrow</math> en pratique, après quelques oscillations, la tige <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}acquiert la position d'équilibre repérée par l'angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>voir vérification ci-dessous<math>\big)\,</math> alors que <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] la torsion initiale est fournie par rotation de la tige d'un angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>également repéré <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>dans le pendule du chap.7 }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}\big)</math>, la position d'équilibre de la tige étant repérée par l'angle nul ; {{Al|5}}<u>vérification de la position d'équilibre de la tige dans le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}orientant les deux fils de torsion du bas vers le haut, quand la tige acquiert la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion supérieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche"> Une hélice est « droite » si le point tourne sur la gauche <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique direct ou encore dans le sens antihoraire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée et <br>{{Al|31}}elle est « gauche » si le point tourne sur la droite <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique indirect ou encore dans le sens horaire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée <br>{{Al|3}}<math>\,\big[</math>revoir aussi la distinction « hélices gauche ou droite » dans le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Mouvement_de_particules_chargées_dans_des_champs_électrique_et_magnétique_:_Cas_particulier_d'un_champ_magnétostatique_uniforme#Nature_hélicoïdale_uniforme_du_mouvement_de_la_particule|nature hélicoïdale uniforme du mouvement de la particule]] » du chap.<math>24</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> d'un angle «<math>\;\theta_1 - 2\;\theta_1 = -\theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil"> L'angle de torsion du fil qui intervient dans le vecteur moment du couple de torsion est l'angle que fait l'extrémité mobile relativement à l'extrémité maintenue fixe même si cette extrémité est fixée avec torsion initiale comme c'est le cas pour le fil supérieur <math>\,\big\{</math>on peut vérifier que cette définition correspond bien au schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » car {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{A_0B_0}\;</math>»}} est lié à l'extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil supérieur et «<math>\;\overrightarrow{AB}\;</math>» à l’extrémité mobile <math>\,C\,</math> et il en est de même pour l'éventuel fil de torsion inférieur<math>\big\}</math>.</ref> par rapport à son extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion supérieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} = -C \left( -\theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion inférieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche" /> d’un angle «<math>\;\theta_1 - 0 = \theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil" /> par rapport à l’extrémité <math>\;O_{\text{inf}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion inférieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = -C \left( \theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = -C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur la tige vérifiant «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} + \vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = \vec{0}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur }}la tige est effectivement en équilibre dans cette position <math>\;\ldots</math> {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <math>\,\big\{</math>ensemble solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC"> L'axe <math>\,\Delta_C\,</math> est le support des fils de torsion.</ref> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemb}}le solide étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles"> Repérée par rapport à la position de l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemble solide étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des masselottes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des masselottes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des masselottes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur"> L'angle de torsion du fil supérieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 2\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation"> Il s'agit de l'application de la puissance instantanée développée par un système de forces extérieures sur un solide en rotation autour d'un axe fixe <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d'un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> quand le système de forces extérieures est équivalent à un couple <math>\,\big[</math>c.-à-d. un système dont la résultante est nulle et dont le moment résultant scalaire relativement à l'axe de rotation définit le moment scalaire du couple<math>\big]</math>.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur"> L'angle de torsion du fil inférieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 0 = \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cin%C3%A9tique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d'un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;</math> est le moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et masselottes » en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_C\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre"> Ce qui suppose que <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> est non identiquement nulle <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\theta(t)\,</math> n'est pas une constante c.-à-d. que le solide n'est pas à sa position d'équilibre.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à droite «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta_1\;</math>», équation différentielle linéaire <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants sans terme du 1^er ordre hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_non_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition non énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] », la présence d'un 2^nd membre constant signifiant que le paramètre caractérisant l'oscillateur dans l'espace n'est pas nul à l'équilibre.</ref> de rotation ; {{Al|5}}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Conséquence_«_le_pendule_de_torsion_(non_amorti)_est_un_oscillateur_harmonique_non_amorti_de_rotation_»|conséquence : le pendule de torsion (non amorti) est un oscillateur harmonique non amorti de rotation]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » ; [[File:Pendule de torsion amorti - vue de dessus.png|thumb|300px|Vue de dessus d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti par substitution d'ailettes planes aux masselottes fixées sur la tige <math>\,\big(</math>les fils de torsion supérieur et inférieur <math>\,\perp\,</math> au plan de la figure ne peuvent y être représentés<math>\big)</math>]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> du }}<math>\big(</math>voir vue de dessus partielle représentée ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre étant écarté initialement comme celui de début de paragraphe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, le pendule ci-contre étant écarté initialement }}la tige acquiert donc une position d'équilibre repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}l'ensemble « tige et ailettes » étant un solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC" /> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant }}le solide est, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant le solide est, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}les actions extérieures sont <math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des ailettes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{ailettte}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des ailettes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des ailettes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{ailette}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu dans lequel se déplace le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] exercent sur les ailettes, modélisées par un <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> }}couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Couple_de_frottement_fluide_linéaire_agissant_sur_le_pendule_par_l’intermédiaire_des_ailettes|couple de frottement fluide linéaire agissant sur le pendule par l'intermédiaire des ailettes]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple }}<math>\big[H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}et du fluide sur lequel frottent les ailettes<math>\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide la puissance instantanée }}selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\,</math> est le moment d'inertie du solide « tige + ailettes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et ailettes » en rotation autour de <math>\,\Delta_C\,</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t) - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t) - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1 - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étudié «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta_1\;</math>», équation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}différentielle linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique" /> de rotation ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Loi_horaire_de_position_angulaire_du_pendule_de_torsion_amorti|loi horaire de position angulaire du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ». == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule pesant non amorti à un degré de liberté - forces extérieures.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté <math>\,\big(</math>schématisé ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_non_amorti_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_du_moment_cinétique_scalaire|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant non amorti (à un degré de liberté) par application du théorème du moment cinétique scalaire]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />. {{Al|5}}Ci-contre schéma de face du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] idéale <ref name="liaison idéale"> C.-à-d. dans laquelle on peut négliger les frottements solides.</ref> du solide en rotation autour de l’axe horizontal <math>\,\Delta_O\;</math><ref name="liaison pivot du pendule"> Pour plus de détails voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Présentation_du_pendule_pesant_(non_amorti)_«_P.P.(N.A.)_»|présentation du pendule pesant (non amorti) P.P.(N.A.)]] (liaison pivot avec le point O) » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Non Amorti.</ref> à un degré de liberté ayant un mouvement de rotation imposé par la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] du solide avec l'axe <math>\,\Delta_O</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté }}son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,O</math>, d'axe <math>\,\Delta_O\,</math> orienté par le vecteur unitaire «<math>\;\vec{u}_{\Delta_O}\;</math>» et <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,\color{transparent}{O}</math>, }}de rayon «<math>\;\mathfrak{a}\;</math>» avec, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. }}<math>G\,</math> repéré par son abscisse angulaire «<math>\;\theta_G(t) = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\overrightarrow{OG}(t) \right\rbrace} = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\vec{u}_r(t) \right\rbrace}\;</math>» <ref name="noté theta"> Noté «<math>\;\theta(t)\;</math>» par la suite en absence d'ambiguïté.</ref> ; {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = \left[ \overrightarrow{OG}(t) \wedge m\;\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_O} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids"> Le moment vectoriel du poids par rapport à <math>\,O\,</math> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)\;</math>» a établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_liaison_sphérique_et_avec_les_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b),_établissement_de_la_nature_plane_du_mouvement_du_C.D.I._G_du_P.P.(N.A.)|dans le cas d'une liaison sphérique et avec les C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), établissement de la nature plane du mouvement du C.D.I. G du P.P.(N.A.)]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] », soit «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\varphi_G}(t)\;</math>» avec <math>\,\vec{u}_{\varphi_G}\,</math> s'identifiant à <math>\,\vec{u}_{\Delta_O}</math>. <br>{{Al|3}}On pouvait aussi déterminer directement le moment scalaire du poids, le schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_«_liaison_pivot_»_ou_d’une_«_liaison_sphérique_avec_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b)_»,_nouveau_repérage_adapté_à_la_nature_rotatoire_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_à_un_degré_de_liberté|dans le cas d'une liaison pivot ou d'une liaison sphérique avec C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), nouveau repérage adapté à la nature rotatoire du mouvement du P.P.(N.A.) à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » étant fait avec le paramètre de position angulaire <math>\,\theta > 0</math>, on observe que le poids tend à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,-\,</math> avec un bras de levier <math>\,\big(</math>distance orthogonale séparant l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du support de <math>\,m\;\vec{g}\big)\,</math> égal à <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où, dans le cas où <math>\,\theta\,</math> est <math>\,> 0</math>, {{Nobr|«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)</math>}} <math>= - \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>» <math>\,\Big\{</math>le résultat est indépendant du signe de <math>\,\theta\,</math> mais si le schéma était fait avec <math>\,\theta < 0</math>, on observerait que le poids tendrait à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,+\,</math> avec un bras de levier <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = + \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = m\;g\;\left[ -\mathfrak{a}\; \sin(\theta) \right] = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>», soit effectivement le même résultat <math>\,\big[</math>avec toutefois une possibilité d'erreur si on oubliait que <math>\,\theta < 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert = -\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\big]\Big\}</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_particulier_où_M_est_en_mouvement_circulaire_d'axe_Δ_et_de_vitesse_angulaire_instantanée_Ω(t)|cas particulier où M est en mouvement circulaire d'axe Δ et de vitesse angulaire instantanée Ω(t)]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> de la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I."> Conditions Initiales.</ref> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O"> On a établi dans la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#cite_note-réduction_à_deux_composantes_de_la_réaction_dans_ces_C.I.-18|¹⁸]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » que la réaction du point <math>\,O\,</math> dans l'hypothèse d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] sur le pendule lancé dans les C.I. <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\,</math> ou <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\,</math> s'écrirait <math>\,\vec{R}(t) =</math> <math>R_{\rho_G}(t)\;\vec{u}_{\rho_G}(t) + R_z(t)\;\vec{u}_z</math>, c.-à-d. que la réaction serait dans le plan vertical de lancement soit encore «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» ; <br>{{Al|3}}on établit de même <math>\,\big[</math>sans que cela ait été exposé dans le chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> que la réaction de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le pendule quels que soient les C.I. de lancement compatibles avec la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] s'écrit «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>».</ref> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul"> En effet la force étant <math>\,\perp\,</math> à l'axe par rapport auquel son moment scalaire est évalué est de bras de levier nul.</ref> auquel s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe"> Le couple étant de moment vectoriel <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta_O</math>.</ref> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée à la date <math>\,t\,</math> par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée développée à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|7}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}sans terme du 1^er ordre ; {{Al|5}}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique"> On appelle « [[w:Solution_de_forme_fermée|solution analytique]] » d'une équation différentielle, une expression mathématique <math>\,\big(</math>souvent dite « formule explicite »<math>\big)\,</math> pouvant s'obtenir par une combinaison d'opérations et de [[w:Fonction_de_référence|fonctions de référence]] <math>\,\big(</math>c.-à-d. fonctions affines, puissances, trigonométriques et exponentielles ainsi que leurs fonctions inverses sur un domaine de définition restreint pour lequel il y a bijection et même certaines solutions d'équations différentielles dites de référence<math>\big)</math>, les opérations étant l'addition, la soustraction, la multiplication, la division et l'extraction de racines.</ref> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’élongations_angulaires_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'élongations angulaires non petites]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il est nécessaire de procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="solution analytique dans le cas d'élongations petites"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Cas_particulier_des_«_petites_élongations_angulaires_»,_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_=_oscillateur_harmonique_(non_amorti)_approché_de_rotation,_période_des_«_petites_oscillations_»|cas particulier des petites élongations angulaires, pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) oscillateur harmonique (non amorti) approché de rotation, période des petites oscillations]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. [[File:Pendule pesant amorti à un degré de liberté - forces extérieures - bis.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures, <math>\,I\,</math> étant le point où la résultante des forces de frottement fluide peut être appliquée]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti <math>\,\big(</math>voir coupe partielle représentée ci-contre<math>\big)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire" /> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I." /> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O" /> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul" /> où s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe" /> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu où se déplace le [[w:Pendule_pesant|pendule]] exercent sur ce dernier, modélisées par <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}un couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_O}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti" />{{,}} <ref name="définition de H"> <math>\,H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]], de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frotte le solide.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Amorti.</ref> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0 - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right] - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_O}}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}avec terme linéaire du 1^er ordre ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique" /> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’amplitudes_initiales_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'amplitudes initiales non petites]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il faut procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique - bis"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » nécessitant néanmoins d'ajouter le terme d'amortissement <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A." />. == « En complément », caractère conservatif du couple de torsion, énergie potentielle de torsion et conservation de l’énergie mécanique du pendule de torsion (non amorti) dans le champ de torsion du fil == {{Al|5}}Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » ne sont pas explicités dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » }}il me semble souhaitable de le retenir <math>\,\big(</math>et bien sûr d’être capable de le retrouver<math>\big)</math>. === Caractère conservatif du couple de torsion === {{Al|5}}Le travail élémentaire d’un couple de torsion s’exerçant sur un solide, de vecteur moment «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t) = -C\;\alpha(t)\;\vec{u}_\Delta\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Expression_du_vecteur_moment_du_couple_de_torsion_exercé_par_le_fil_en_fonction_de_l'angle_de_torsion_«_α(t)_»,_notion_de_constante_de_torsion_«_C_»_du_fil_de_torsion|expression du vecteur moment du couple de torsion exercé par le fil de torsion α(t), notion de constante de torsion C du fil de torsion]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> lors d’une torsion élémentaire «<math>\;d \alpha\;</math>» <ref name="définition de Delta et alpha sur le fil de torsion"> <math>\,\Delta\,</math> étant la direction du fil de torsion orienté par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et «<math>\;\alpha\;</math>» l'angle de torsion algébrisé, défini au niveau de la liaison au solide dans le plan <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta\,</math> et orienté par <math>\,\vec{u}_\Delta</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion }}étant défini selon «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>», <math>\,\big[\overline{\Omega}(t)\,</math> étant la vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt}\;</math>», <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \alpha\;</math>»<math>\big]\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> soit finalement <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon }}«<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -C\;\alpha\; d \alpha\;</math>» correspondant à une différentielle de fonction <math>\Rightarrow</math> le <u>caractère conservatif du couple de torsion</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple"> Pour montrer qu’une force est conservative, on évalue son travail élémentaire en prenant un vecteur déplacement élémentaire quelconque <math>\,\overrightarrow{dM}\,</math> à partir du point d'application <math>\,M\,</math> de la force <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#2ème_définition_(équivalente)_d'une_force_«_conservative_»|2^ème définition (équivalente) d'une force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> ; <br>{{Al|3}}lorsqu'il s’agit d'un couple de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, il faut évaluer son travail élémentaire en envisageant une rotation élémentaire quelconque autour de n'importe quelle direction, le couple est alors conservatif si ce travail élémentaire est une différentielle de fonction mais <br>{{Al|3}}{{Transparent|lorsqu'il s'agit d'un couple }}dans le cas d’un couple de torsion de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, la seule direction autour de laquelle peut s’effectuer une rotation élémentaire est celle du fil c.-à-d. celle de <math>\,\vec{\Gamma}\,</math> et par suite la seule condition pour que le couple de torsion soit conservatif est que son travail élémentaire en considérant une rotation élémentaire autour de la direction du fil de torsion soit une différentielle de fonction ou encore que « le moment scalaire du couple de torsion par rapport au fil ne dépende que de l'angle de torsion <math>\,\alpha\;</math>» C.Q.E.R. <math>\,\big(</math>Ce Qui Est Réalisé<math>\big)</math>.</ref>. === Énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion === {{Al|5}}L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,U_{\text{tors}}\,</math> dont « dérive » le couple de torsion de vecteur moment <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}est définie par «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#1ère_définition_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|1^ère définition de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> c.-à-d. «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(\alpha)\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\,</math> ou <math>\,-C\;\alpha\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <math>\Leftrightarrow</math> «<math>\;\dfrac{dU_{\text{tors}}}{d \alpha} = C\;\alpha\;</math>» soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}en intégrant «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2 + cste\;</math>» ; choisissant la référence de l’énergie potentielle de torsion <math>\;U_{\text{tors}}(\alpha)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle"> C.-à-d. l'endroit où l'énergie potentielle est choisie nulle.</ref> <br>{{Al|7}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> en intégrant «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\alpha) = 2\; C\;\alpha^2 + cste}\;</math>» ; choisissant la référence }}quand le fil n’est pas tordu c.-à-d. <math>\,U_{\text{tors}}(0) = 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = 0</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}l'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d’un fil et sa conservation en absence de frottement === [[File:Pendule de torsion sans masselottes - actions exercées.png|thumb|500px|Schéma d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] représenté sans masselottes additives et avec fil inférieur sans torsion avec ajout des actions exercées sur la tige à l'instant <math>\;t</math>]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec un seul fil de torsion, l'autre fil étant sans torsion <math>\,\big(</math>voir schéma ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec un seul fil de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}la seule action extérieure de moment scalaire non nul par rapport à la direction <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}commune du fil de torsion et du fil sans torsion <math>\;\big(</math>orientée par le vecteur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> étant le couple « conservatif » de torsion <ref name="conservativité du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Caractère_conservatif_du_couple_de_torsion|caractère conservatif du couple de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}moment vectoriel «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}} = -C\;\alpha\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion /> auquel on associe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie potentielle de torsion du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre valant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;U_{\text{tors}}(t) =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion énergie potentielle de torsion }}<math>\,\dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_torsion_du_solide_relié_au_fil_de_torsion|énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}son énergie cinétique à la date <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{pend. tors.}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique }}<math>J_{CO_{\text{sup}}}\,</math> est le moment d'inertie du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] relativement à la <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique <math>\color{transparent}{J_{CO_{\text{sup}}}}\,</math> est }}direction du fil de torsion et du fil sans torsion <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à l'instant <math>\,t\,</math> selon «<math>\;E_m(t) = K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Propriétés_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|propriétés de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] (2^ème propriété) » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha_0 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\alpha(0) = \alpha_0\;</math> et <math>\,\dot{\alpha}(0) = 0\;</math>». [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]]]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige <math>\,\big(</math>voir photographie ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec deux fils de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}il y a deux actions extérieures s'exerçant sur le solide « tige + masselottes » de moment scalaire non nul par rapport à <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}la direction commune <math>\,\Delta_C\,</math> des deux fils de torsion <math>\,\big(</math>orientée par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}élémentaire du solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}prouve le <u>caractère conservatif du couple de torsion du fil supérieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}supérieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = -d U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta = -d U_{\text{tors. sup.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. sup.}}}{d \theta} = C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\,</math> qui s'intègre en <math>\,U_{\text{tors. sup.}}</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,= \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> et, en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. sup.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du solide à l'équilibre » c.-à-d. <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre"> Revoir l'explication rappelée dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans le chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil supérieur du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta_1 - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_1 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion"> Symboliquement l'énergie potentielle d'un solide dans le champ de torsion d'un fil de torsion s'obtient, à une constante additive près, par la moitié du produit de la constante de torsion du fil et du carré de l'angle de torsion, à l'instant <math>\;t</math>, du fil au point d'attache du solide.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation élémentaire du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\; \theta(t)\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et prouve le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<u>caractère conservatif du couple de torsion du fil inférieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}inférieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = -d U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\;\theta\;d \theta = -d U_{\text{tors. inf.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. inf.}}}{d \theta} = C\; \theta\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{tors. inf.}} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} + cste_2\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. inf.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position du solide à l'équilibre » c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil inférieur du solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2} + cste_2 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_2 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}finalement l'énergie potentielle globale de torsion du solide « tige + masselottes » <math>\,\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale }}s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = U_{\text{tors. sup.}}(\theta) + U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» ou, en simplifiant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale s'écrit }}«<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2\;</math>» <ref> En effet <math>\,\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + 2\;C\; \theta_1^{\,2} + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + C\; \theta_1^{\,2} = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2</math>.</ref>{{,}} <ref> Cette énergie potentielle de torsion du solide « tige + masselottes » est la même que celle que l'on obtiendrait avec un seul fil de torsion de constante de torsion <math>\,2\,C</math>, l'autre fil étant sans torsion avec la référence en la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>.</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule ci-dessus étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «<math>\;\color{transparent}{K_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#%Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torion par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique de l'ensemble tige + masselottes) » plus haut dans ce chapitre.</ref> avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule }}<math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion des deux fils définie, à l'instant <math>\,t\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie mécanique }}«<math>\;E_m(t) = K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}\! \left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\alpha\;</math>» dans le 1^er exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] ou <br>{{Al|57}}celui «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta - \theta_1 \right]^2 \,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du 2^ème exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|même]] paragraphe <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}étant parabolique, nous retrouvons la <u>2^ème définition d’un oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math>de rotation<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_(équivalente)_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition (équivalente) énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. <br>{{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> de son mouvement dans le 2^ème exemple du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}«<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2 = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>», <br>{{Al|58}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}les C.I. <ref name="C.I." /> étant «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}est donc une <u>ellipse décrite dans le sens horaire</u> <ref name="portrait de phase d'un socillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Tracé_du_portrait_de_phase_de_la_charge_du_condensateur_d'un_«_R_L_C_série_»_soumis_à_un_échelon_de_tension_suivant_le_cœfficient_d'amortissement|propriétés des portraits de phase de la charge du condensateur d'un RLC série soumis à un échelon de tension suivant le cœfficient d'amortissement]] (cas d'un circuit oscillant non amorti en vert) » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. == Conservation de l’énergie mécanique du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) dans le champ de pesanteur uniforme == === Énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant === {{Al|5}}Dans le cas d'un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref><math>\big)</math>, le poids du solide étant la seule action extérieure travaillant et ce dernier étant conservatif <ref name="poids d'un objet conservatif"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Établissement_du_caractère_«_conservatif_»_du_poids_d'un_point_matériel_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|établissement du caractère conservatif du poids d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, }}on lui associe l'énergie potentielle de pesanteur «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta)\;</math>» <ref name="énergie potentielle de pesanteur"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#«_Énergie_potentielle_de_pesanteur_d'un_point_matériel_»_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|énergie potentielle de pesanteur d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> déterminée en intégrant «<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = -dU_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> avec <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)\,</math> travail élémentaire du poids lors d'une rotation élémentaire d'angle <math>\,d \theta = \dot{\theta}(t)\;dt\,</math> autour de <math>\,\Delta_O\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe «<math>\;\color{transparent}{\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)}\,</math>}}<math>= \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;dt = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)\;dt = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;d \theta\;</math>» <ref name="travail élémentaire du poids du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (actions extérieures exercées sur le solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> d'où <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}<math>\,-dU_{\text{pes}} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\;d \theta\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{pes}}}{d \theta}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\,</math> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right) + cste\;</math>» <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}soit, en choisissant comme référence de l'énergie potentielle <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> « la position <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}d'équilibre stable de ce dernier <ref name="équilibre stable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessous de ce dernier.</ref> <math>\,\theta_{\text{éq. stable}} = 0\;</math>» d'où <math>\,U_{\text{pes}}(0) = 0\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}<math>\Rightarrow</math> <math>\,0 = -m\;g\;\mathfrak{a} + cste\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = m\;g\;\mathfrak{a}\,</math> d'où l'expression de <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}l'énergie potentielle de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> se réécrit selon <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta \right) \right]\;</math>» <ref> Pour trouver l'expression de l'énergie potentielle de pesanteur on peut aussi utiliser <math>\,\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = m\;g\;dz_G = -dU_{\text{pes}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{pes}} = -m\;g\;z_G + cste\,</math> sachant que <math>\,z_G = \mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right)\,</math> avec pour position d'équilibre stable <math>\,z_{G,\,\text{éq. stable}} = \mathfrak{a}</math> <math>\;\ldots</math></ref> <math>\,\big(</math>référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : la position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement === {{Al|5}}Considérant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A." /><math>\big)</math>, l'énergie potentielle de pesanteur étant «<math>\;U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right] = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\,</math> avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> <math>\,\theta_{\text{équi. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P."/> » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> et <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie cinétique du solide constituant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique du solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> dans laquelle <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie cinétique}}«<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du solide par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie mécanique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> dans le champ de pesanteur «<math>\;E_m\!(t) = K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) + U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right]</math> <br>{{Al|23}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie mécanique du P.P.N.A. dans le champ de pesanteur «<math>\;\color{transparent}{E_m\!(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{P.P.N.A.}}(t) + U_{\text{pes}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P..P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\,\left[ 1 - \cos(\theta) \right]\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}n'étant pas parabolique <math>\,\big(</math>mais sinusoïdal<math>\big)</math>, nous pouvons affirmer que <u>le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> n'est pas un oscillateur harmonique</u> <math>\,\big(</math>quand il est en situation d'osciller<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <math>\blacktriangleright\;</math>« oscillatoire pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'énergie mécanique initiale du P.P.N.A. vaut «<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^2 + m\;g\; \mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta_0 \right) \right]\;</math>».</ref> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. est }}<math>\blacktriangleright\;</math>« révolutive pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="étude du mouvement d'un P.P.N.A. par diagramme d'énergies"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Étude_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_dans_le_cas_général_des_élongations_angulaires_non_petites_par_diagramme_énergétique|étude du mouvement du P.P.(N.A.) dans le cas général des élongations angulaires non petites par diagramme énergétique]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}de démontrer, avec utilisation simultanée de l'intégrale 1^ère énergétique <ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'intégrale 1^ère énergétique du P.P.N.A. s'écrit «<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^{\,2} + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet de démontrer, }}la nature « périodique <math>\,\big(</math>oscillatoire ou révolutive<math>\big)\;</math>» ainsi que <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}d’établir l’expression de la période sous forme intégrale <math>\ldots</math> {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Les [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d’un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ayant pour équation implicite l’intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\;</math><ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" /> de son mouvement lequel dépend de la valeur de l'énergie mécanique initiale <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />, <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. }}diffèrent suivant <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="différents portraits de phase d'un P.P.N.A."> Voir les paragraphes « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Tracé_des_portraits_de_phase_dans_le_cas_général_«_d'oscillations_ou_de_mouvement_révolutif_»_d'un_P.P.S._lancé_dans_les_C.I._«_1b_U_1a_»|tracé des portraits de phase dans le cas général d'oscillations ou de mouvement révolutif d'un P.P.S. lancé dans les C.I. 1b U 1a]] » du chap.<math>12</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\,\big(</math>l'allure des [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti étant la même que ceux d'un [[w:Pendule_simple|pendule simple]] non amorti<math>\big)\,</math> et « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Différents_portraits_de_phase_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté),_«_bifurcation_»_entre_mouvement_«_pendulaire_»_et_révolutif|différents portraits de phase du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté), bifurcation entre mouvement pendulaire et révolutif]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>pendulaire</u> <ref name="pendulaire"> Adjectif synonyme d'« oscillatoire ».</ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>fermé</u>, décrit dans le « <u>sens horaire</u> » <ref name="justification du sens horaire"> Ou « trigonométrique indirect », en effet « quand <math>\,\dot{\theta}\,</math> est <math>\,> 0</math>, <math>\,\theta \nearrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \nearrow\,</math> puis <math>\,\searrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule » ensuite «<math>\;\dot{\theta}\,</math> est <math>\,< 0</math>, correspondant à <math>\,\theta \searrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \searrow\,</math> puis <math>\,\nearrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule de nouveau » <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}avec le point «<math>\;\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)\;</math>» comme « <u>centre de </u>{{Nobr|<u>symétrie</u> » <ref name="justification du centre de symétrie"> Invariance de l’équation en changeant «<math>\;\theta\,</math> en <math>\,-\theta\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des vitesses angulaires <math>\,\big(</math>en fait antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>» et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Invariance de l’équation }}en changeant «<math>\;\dot{\theta}\,</math> en <math>\,-\dot{\theta}\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des abscisses angulaires <math>\,\big(</math>là encore c'est une antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|3}}l’association des deux symétries axiales <math>\,\big(</math>ou plutôt des deux antisymétries axiales<math>\big)\,</math> donnant un centre de symétrie pour l'intersection des deux axes <math>\,\big[</math>le point d'intersection des deux axes étant réellement une symétrie centrale <math>\,\big(</math>et non une antisymétrie centrale<math>\big)</math>.</ref>}} <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, avec le point «<math>\;\color{transparent}{\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)}\;</math>» }}correspondant à la position d’équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /> du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ; <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> }}<math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>révolutif</u>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>ouvert</u>, constitué de la <u>répétition du motif de l'intervalle</u><math>\;\left] -\pi\, , \, \pi \right]</math>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase }}répété <math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \nearrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} > 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 > 0\;</math>» ou <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase répété }}<math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \searrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} < 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 < 0\;</math>», <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)\;</math>» et celui avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,-\dot{\theta}_0 > 0 \right)\;</math>» <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, le portrait de phase avec C.I. «<math>\;\color{transparent}{\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)}\;</math>» }}étant <u>antisymétriques</u> l'un de l'autre, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>maxima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre stable</u> <ref name="équilibre stable du P.P." /> «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres stables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» ;<br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}\;</math>»<math>\big)\;</math> alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big)</math>.</ref> et <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>minima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre instable</u> <ref name="équilibre instable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessus de ce dernier.</ref> «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;</math> <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, les minima de<math>\;\color{transparent}{\vert \dot{\theta} \vert}\;</math>obtenus pour les positions d’équilibre instable «<math>\;\color{transparent}{\theta_{\text{éq. inst.}} =}</math> }}<math>\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres instables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = -\left( 2\;p' + 1 \right)\, \pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big[</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big]\;</math>.</ref>. == « Généralisation » à tout « solide » : « théorème de la variation de l’énergie mécanique » et la forme locale associée « le théorème de la puissance mécanique », application au cas d’un solide amorti == {{Al|5}}Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à la généralisation à tout système de points matériels ou continu de matière « indéformable » <ref name="solide au sens de la mécanique" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à }}la généralisation aux systèmes de points matériels ou continus de matière « déformables » sera faite dans le chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Lois_de_l'énergie_cinétique_pour_un_système_déformable_de_points_matériels#«_En_complément_»,_théorème_de_la_variation_de_l’énergie_mécanique_appliqué_à_un_système_de_matière_déformable_dans_le_champ_des_forces_extérieures_et_intérieures_conservatives_et_sa_forme_locale_«_le_théorème_de_la_puissance_mécanique_»|en complément : théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un système de matière déformable dans le champ des forces extérieures et intérieures conservatives et sa forme locale le théorème de la puissance mécanique]] » du chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. === Théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s’écrivant «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\bullet\;</math>celles qui sont conservatives <math>\,\big(</math>lesquelles « dérivent » d’une énergie potentielle<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{ransparent}{\bullet}\;</math>}}dont le travail pendant cette durée finie est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées }}<math>\bullet\;</math>celles qui sont non conservatives <ref name="non conservatives"> Ou, si elles sont conservatives, dont on ne considère pas le caractère « conservatif ».</ref> dont le travail pendant cette durée finie <br>{{Al|12}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>celles qui sont non conservatives dont }}est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}d'où «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou, avec «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, }}<math>\big(U_{\text{ext}}\,</math> étant l'énergie potentielle dont dérivent les forces conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, <math>\color{ransparent}{\big(}</math>}}définie à une constante additive près précisée par choix de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}<math>\Rightarrow</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» d’où la réécriture du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « solide <math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\left( \mathcal{S} \right)} + U_{\text{ext}} \right] = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» où on reconnaît dans le 1^er membre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}la variation de l’énergie mécanique «<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t) + U_{\text{ext}}\!(t)\;</math>» du solide «<math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le champ des forces conservatives sur la durée <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> dans le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où dans le champ des forces conservatives }}référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen d'où, finalement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}le lien entre la variation de l'énergie mécanique du « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;\Delta E_m = E_{m,\,\mathcal{F}} - E_{m,\,\mathcal{I}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» le lien }}le travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> sur cette même durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}«<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» applicable à un solide dans un référentiel d’étude galiléen, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}l'énoncé du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie dans un référentiel galiléen <ref> Ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. sous la forme où il existe des forces extérieures non conservatives dissipatives mais, comme le cas où toutes les forces extérieures travaillant sont conservatives est clairement explicité <math>\,\big(</math>sous la forme de la conservation de l’énergie mécanique du solide<math>\big)</math>, le cas où il existe des forces extérieures travaillant et non conservatives <math>\,\big(</math>comme des forces de frottement<math>\big)\,</math> s’appliquant à un solide peut difficilement être ignoré d'où l'ajout du théorème sous sa forme la plus générale <math>\;\ldots</math></ref>. : {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}<math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <math>\,K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation «<math>\;\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» }}égale au travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale au travail }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire dans un référentiel galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique }}se déduit aisément de sa forme sur une durée finie soit {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}conservatives <math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}<math>K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> <math>\color{transarent}{K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)}\,</math> l'énergie cinétique }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation élementaire«<math>\;d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t)\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» }}égale au travail élémentaire des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» égale au travail }}appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;d E_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide }}est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée finie ou élémentaire se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>». === Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de la puissance mécanique est la forme locale associée à la forme intégrée <ref name="forme intégrée de forme locale" /> “ théorème de la variation de l'énergie mécanique sur une durée finie ou élémentaire ” ; {{Al|5}}pour obtenir cette forme locale on écrit le théorème de la variation de l’énergie mécanique d’un solide dans le champ des forces extérieures conservatives entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math><ref> C.-à-d. la forme élémentaire du théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un solide.</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on écrit }}«<math>\;dE_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\,</math> dans un référentiel galiléen » puis, <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on divise les deux membres par <math>\,dt\,</math> soit «<math>\;\dfrac{dE_m}{dt} = \dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{dE_m}{dt}\;</math>» est la dérivée temporelle de l’énergie mécanique du solide dans le champ des forces extérieures conservatives définissant <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}la puissance mécanique du solide à l'instant <math>\,t\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives, notée «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» la puissance instantanée développée, à l'instant <math>\,t</math>, par les forces extérieures non conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}appliquées au solide notée «<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on obtient «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» d'où l'énoncé du théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen : {{Théorème|titre=Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide »|contenu = {{Al|5}}La puissance mécanique à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> <math>\big[</math>avec, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie mécanique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{ext}}(t)}\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces }}conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math>» l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique }}est égale à la puissance instantanée développée par les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique est égale à }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> au même instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide à un instant <math>\,t\,</math> quelconque se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}c.-à-d., après intégration, « la conservation de l’énergie mécanique du solide précédemment défini ». === Application au cas d’un solide amorti === {{Al|5}}Parmi les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées à un solide et travaillant, « les plus fréquentes sont dissipatives » <ref> Mais elles peuvent aussi être motrices par exemple, si nous souhaitons que les oscillations d’un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ou d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] perdurent alors qu’existent naturellement des frottements {{Nobr|<math>\,\big(</math>même}} minimes<math>\big)</math>, il est nécessaire de les entretenir à l’aide d’une force extérieure motrice compensant les forces de frottement, cette force motrice étant alors usuellement non conservative tout comme le sont les forces de frottement.</ref> comme les forces de frottement fluide <math>\,\big(</math>ou solide<math>\big)</math> ; {{Al|5}}si les seules forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> travaillant sont des forces de frottement s'exerçant sur un solide en mouvement dans un référentiel galiléen, <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces }}conservatives <ref name="théorème de la puissance mécanique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_la_puissance_mécanique_appliqué_à_un_«_solide_»|théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}s’écrivant «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{frott}}\!(t) < 0\;</math>» dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}l'énergie mécanique de ce solide «<math>\;E_m(t) \searrow\,</math> au sens strict » avec <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}</math> <math>\big(</math>il est qualifié d'« amorti »<math>\big)</math>. ==== Cas particulier du pendule de torsion amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] dont la photographie est dans un « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|paragraphe plus haut dans ce chapitre]] » mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}avec les masselottes remplacées par des ailettes comme présenté dans le schéma de vue de dessus de la « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|remarque du paragraphe précité]] », <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d'un fil et sa conservation en absence de frotemment]] (2^ème exemple) » plus haut dans ce chapitre dans lequel <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> doit être remplacée par <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})</math>.</ref> dans le référentiel <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « }}<math>\big\{</math>avec <math>\,U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> la position d'équilibre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « <math>\color{transparent}{\big\{}</math>avec <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2}\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence }}du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}on en déduit la puissance mécanique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;\dot{E}_m(t) = J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + 2\;C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]\,\dot{\theta}(t)\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}la puissance du couple de frottement fluide linéaire <math>\,\big(</math>seules forces extérieures non conservatives travaillant de moment scalaire par rapport à l'axe de rotation du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion la puissance du couple de frottement fluide linéaire <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>}}<math>\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion" />, <math>\,H\,</math> étant une constante positive <ref> Exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frottent les ailettes.</ref><math>\big)\,</math> <br>{{Al|6}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion la puissance du couple de frottement fluide linéaire }}agissant sur les ailettes du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étant «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] (remarque : actions extérieures exercées sur l'ensemble “ tige et ailettes ”) » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}le théorème de la puissance mécanique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» ou <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» ou encore, <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + 2\;C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]\,\dot{\theta}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}après simplication par <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> non identiquement nulle <ref name="hors position d'équilibre" /> et normalisation <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <ref> Identique à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Identique }}à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] (2^ème exemple où les masselottes sont remplacées par des ailettes) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <center>«<math>\;\ddot{\theta}(t) + + \dfrac{H}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta_1\;</math>».</center> ==== Cas particulier du pendule pesant à un degré de liberté amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] à un degré de liberté dont le schéma est dans un « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|paragraphe plus haut dans le chapitre]] » dans lequel <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}des frottements fluides linéaires agissent sur le [[w:Pendule_pesant|pendule]] comme présentées dans le schéma de la « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|remarque du paragraphe précité]] », <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}l'énergie mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frotemment]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> dans le référentiel <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté l'énergie mécanique du P.P.A. étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « }}<math>\big\{</math>avec <math>\,U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\,</math> l'énergie potentielle de pesanteur <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté l'énergie mécanique du P.P.A. étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « <math>\color{transparent}{\big\{}</math>}}la position d'équilibre stable du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> <math>\,\theta_{\text{équi. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P."/><math>\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}on en déduit la puissance mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." />, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;\dot{E}_m(t) = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \sin\! \left[ \theta(t) \right]\,\dot{\theta}(t)\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}la puissance des forces de frottement fluide linéaire <math>\,\big(</math>seules forces extérieures non conservatives travaillant de moment scalaire par rapport à l'axe de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté la puissance des forces de frottement fluide linéaire <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>}}rotation du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] <math>\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_O}(t) = -H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="moment scalaire des forces de frottement fluide sur pendule pesant"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <math>\,H\,</math> étant une constante positive <ref> Exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]], de la forme de celui-ci par rapport à l'axe et du fluide sur lequel il frotte.</ref><math>\big)\,</math> <br>{{Al|6}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté la puissance des forces de frottement fluide linéaire }}agissant sur le [[w:Pendule_pesant|pendule]] étant «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_O}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (remarque : actions extérieures exercées sur le solide du pendule) » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» ou <br>{{Al|20}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» ou encore, <br>{{Al|20}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \sin\! \left[ \theta(t) \right]\,\dot{\theta}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou <br>{{Al|20}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}après simplication par <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> non identiquement nulle <ref name="hors position d'équilibre" /> et normalisation <br>{{Al|20}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] amorti <ref> Identique à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Identique }}à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (remarque établissement de l'équation différentielle du P.P.A.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|20}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + + \dfrac{H}{J_{\Delta_O}}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>». == Notes et références == <references /> {{Bas de page | idfaculté = physique | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie|Approche énergét. du mouv. d'un sol. en rotat. autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels|Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels]] }} hnrk1i140kyvtb8w1dapc7tgwwhr2ou 987969 987958 2026-11-01T10:09:57Z Phl7605 31541 /* Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique */ 987969 wikitext text/x-wiki {{Chapitre | idfaculté = physique | numéro = 12 | niveau = 14 | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie/]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels/]] }} <center>Ce chapitre est traité dans le cadre de la dynamique newtonienne avec ajout de quelques éléments de dynamique relativiste.</center> == Théorème de l'énergie cinétique d’un système de matière, cas d’un solide en rotation autour d’un axe fixe == {{Al|5}}Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}est évidemment à connaître comme forme intégrée de la forme locale <ref name="forme intégrée de forme locale"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Lois_de_la_puissance_et_de_l'énergie_cinétiques#Différence_entre_«_forme_locale_de_la_dynamique_»_et_«_forme_intégrée_associée_à_cette_forme_locale_»|différence entre forme locale de la dynamique et forme intégrée associée à cette forme locale]] » du chap.<math>15</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> « théorème de la puissance <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}cinétique d'un système de matière » laquelle est inscrite explicitement dans le programme <math>\;\ldots</math> === Définition du travail du système des forces extérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque"> Par « système de matière quelconque » il faut entendre « système fermé discret de points matériels ou continu de matière » « déformable ou non ».</ref> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1"> A priori <math>\,N\,</math> pourrait être égal à <math>\,1\,</math> mais ce ne serait plus un système de points matériels mais un simple point matériel.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes"> C.-à-d. l’ensemble des paramètres de position et de vitesse de tous les points à l'instant de définition de l'état, tous ces paramètres permettant d’y décrire le système.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> entre }}l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Expression_du_travail_élémentaire_de_la_force_dont_le_point_d’application_subit_le_vecteur_déplacement_élémentaire_correspondant_à_la_durée_élémentaire_de_développement_de_sa_puissance|expression du travail élémentaire de la force dont le point d'application subit le vecteur déplacement élémentaire correspondant à la durée élémentaire de développement de sa puissance]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - bis"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="infiniment proches"> Instants infiniment proches.</ref>, son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité volumique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance volumique <math>\,\mathcal{P}_{\text{vol},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t)</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité surfacique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance surfacique <math>\,\mathcal{P}_{\text{surf},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} =</math> <math>\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) =</math>}} <math>\sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité linéique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance linéique <math>\,\mathcal{P}_{\text{lin},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right] dt\;</math>».</ref>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« chaque point <math>\,\color{transparent}{M_i}\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> entre «<math>\;\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\;</math>» }}son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\,</math> étant aussi tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces extérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces extérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" />. === Définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est également présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2"> Pour l'existence de forces intérieures appliquées à un système, <math>\,N\,</math> doit être évidemment <math>\,\geqslant\,</math> à <math>\,2</math>.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes" /> et l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" /> sachant que <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir }}le système des forces intérieures s'exerçant sur le système discret fermé de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le système des forces intérieures }}est défini comme « l'ensemble des forces <math>\,\vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t)\,</math> que chaque point <math>\,M_j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, exerce sur chaque point <math>\,M_i,\;\;i \neq j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math>» <ref name="système de forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Forces,_principe_des_actions_réciproques#Système_des_forces_intérieures_s’exerçant_sur_un_système_de_points_matériels_fermé|système des forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math> entre les instants <math>\;t\;</math> et <math>\;t + dt\;</math> selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i} \right]\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - ter"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> dans lequel, chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \mu(M')\;d \mathcal{V}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bivolumique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}}{d \mathcal{V}_{M'}\;d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \sigma(M')\;d S_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\;</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bisurfacique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}}{d S_{M'}\;d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \lambda(M')\;d \mathit{l}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\;\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bilinéique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}}{d \mathit{l}_{M'}\;d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace dt\;</math>».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces intérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces intérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière" />. {{Al|5}}<u>Remarque 1</u> : Le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures }}peut aussi être défini à partir de la puissance instantanée développée par les forces intérieures s’exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="définition de la puissance développée par les forces intérieures"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Définition_2|définition]] (de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures peut aussi être défini }}selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - tetra"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : }}le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}s'obtenant en ajoutant tous les travaux élémentaires de <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}peut se calculer à partir de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> peut se calculer }}par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>». {{Al|5}}<u>Remarque 2</u> : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math><ref name="définition du référentiel Rj"> Le référentiel «<math>\;\mathcal{R}_j\;</math>» est le référentiel lié à <math>\,M_j\,</math> en translation par rapport au référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#cite_note-puissance_des_forces_intérieures_s'exerçant_sur_système_continu_de_matière_-_ter-55|⁵⁵]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> dans le référentiel <math>\,\color{transparent}{\mathcal{R}}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}_{\text{int}}(t)}</math> }}<math>= \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Autres_expressions_équivalentes|autres expressions équivalentes]] de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj"> Le point <math>\,M_i\,</math> décrivant dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_j</math> <math>\,\big[</math>lié à <math>\,M_j\,</math> et en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\big]\,</math> une trajectoire particulière <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}\;</math> entre les deux instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t)\big]\,</math> étant tangent à <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}</math>.</ref> ou <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures «}}<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right]\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : }}de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière" />{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" />{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" />. {{Al|5}}<u>Remarque 3</u> : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nulle <ref name="puissance des forces intérieures en général non nulle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (1^ère conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu"> Système discret de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique"> Le système se comporte donc comme un solide au sens de la mécanique.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures nulle pour un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (3^ème conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = 0\;\;\forall\;t\,</math> pour <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = 0\;\;\forall\;\left[ t\,,\,t + dt \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> le devient }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = 0\;\;\forall\;\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> ». === Théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Partant du théorème de la puissance cinétique appliqué, à l'instant <math>\,t</math>, à un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Énoncé|énoncé]] du théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> dans lequel <math>\,\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math> est la puissance cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{ext}}(t)\,</math> la puissance développée par les forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\,</math> celle développée par les forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la même date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on multiplie par <math>\,dt\,</math> pour obtenir la forme élémentaire du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir la forme élémentaire }}entre «<math>\;t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\;</math>» où <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> est la variation élémentaire d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{ext}}\,</math> le travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{int}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur le même <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on intègre entre <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique }}entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec <math>\,\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\,</math> variation d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\,</math> }}sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> le travail des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> le travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> celui des forces intérieures }}sur le même <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>. {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> étant nul quel que soit le mouvement du système » <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Définition_du_travail_du_système_des_forces_intérieures_appliquées_à_un_«_système_de_matière_»_entre_un_état_initial_et_un_état_final|définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un système de matière entre un état initial et un état final]] (remarque 3) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul }}<math>\Rightarrow</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide sous sa forme élémentaire ou <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide }}sur une durée finie : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière en translation » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière"> Système fermé discret fermé de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> en translation » <ref name="système en translation"> Un « système de matière en translation » ne se déformant pas peut aussi être qualifié de « solide » au sens de la mécanique.</ref>, tous les points ont le même vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> égal à celui du C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> <math>\,G\,</math> du système, d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\!G}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <ref name="signification du travail élémentaire développé par les forces extérieures appliquées à un système en translation"> Dans cette 3^ème expression «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» est aussi « le travail élémentaire qui serait développé, sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\,t + dt \right],</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>, par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans <math>\,\mathcal{R}\;</math>» <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», ce dernier s'obtenant par application du théorème du mouvement du C.D.I. <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Principe_fondamental_de_la_dynamique_et_théorème_de_la_résultante_cinétique#Énoncé_du_théorème_(dynamique_newtonienne)|énoncé du théorème (dynamique newtonienne)]] du mouvement du C.D.I. d'un système » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> correspondant aussi à l'application de la r.f.d.n. <math>\,\big(</math>relation fondamentale de la dynamique newtonienne<math>\big)\,</math> au point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>» sur lequel s'exercerait la résultante dynamique<math>\big\}</math>.</ref> dans laquelle «<math>\;\vec{F}_{\text{ext}}(t)\;</math> est la résultante <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}«}}dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» <ref> Voir les paragraphes « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_en_translation_»|cas d'un système de matière en translation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » et « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissancce développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces intérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{int},\,\text{syst. en transl.}} = 0\;</math>» <ref name="système en translation" />{{,}} <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>de la variation élémentaire de l'énergie cinétique du système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en transl.}}\;</math>» avec «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="signification de l'énergie cinétique d'un système en translation"> Dans cette 2^ème expression «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» est aussi « l'énergie cinétique newtonienne du point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans {{Nobr|<math>\,\mathcal{R}\,</math>»}} <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», tous les points du système en translation ayant même vitesse que le C.D.I. <math>\,G\big\}</math>.</ref> l'énergie cinétique <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, dans le cadre de la cinétique newtonienne <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en translation"> Voir le paragraphe « énergie cinétique dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Cas_d'un_système_en_translation|cas d'un système en translation]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique }}appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" />{{, }} <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque dans un référentiel galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> nous obtenons : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un référentiel <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière en translation <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> étant le C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> et <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =}</math> }}la résultante dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\,</math> ou <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste"> Applicable sous cette forme dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste.</ref> avec <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="système fermé de matière" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système en translation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =</math> <math>K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail effectué par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail effectué par la résultante dynamique }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <br>{{Al|208}}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Ce théorème <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais il doit bien sûr être connu <ref> Sans doute ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. car on considère usuellement un système de matière en translation comme un point matériel <math>\,\big(</math>le C.D.I. <math>\,G\,</math> du système<math>\big)\,</math> sur lequel s'exerce la résultante dynamique du système et, selon ce point de vue, le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un système de matière en translation n'est rien d'autre que le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un point matériel, lequel est, quant à lui, au programme <math>\;\ldots</math></ref>. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}<u>Préliminaire</u> : Un « système <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » peut, a priori, se déformer <ref name="système en rotation autour d'un axe"> Par exemple, en se dilatant, c.-à-d. que chaque point du système, en plus de sa rotation autour d'un axe fixe, s'éloigne radialement de cet axe <math>\,\big(</math>la vitesse d'éloignement pouvant être différente d'un point à un autre<math>\big)\,</math> mais dans ce cas il ne s'agit pas d'une rotation « pure » <math>\;\ldots</math> <br>{{Al|3}}Pour maintenir une même vitesse angulaire à un instant <math>\,t\,</math> pour tous les points d'un « système déformable », il faut que le mouvement orthoradial de chacun des points soit corrélé au mouvement radial correspondant, avec absence de mouvement axial, c.-à-d. que, pour deux points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> tels que la droite <math>\,M_iM_j\,</math> recoupe l'axe <math>\,\Delta\,</math> perpendiculairement en <math>\,H_{i,\,j}</math>, <math>\,\big[</math>les points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> ayant donc même abscisse angulaire <math>\,\theta_{i,\,j}(t)\big]\,</math> on ait <math>\,\dot{\theta}_{i,\,j}(t) = \overline{\Omega}(t)</math> <math>\,\big[</math>donc indépendant de <math>\,\left( i\,,\, j \right)\big]\,</math> pour tout instant <math>\,t\,</math> et pour tout couple <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> dont les éléments ont même abscisse angulaire, ces conditions étant très contraignantes sont quasiment jamais réalisées naturellement <math>\;\ldots</math></ref>, toutefois, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Préliminaire : un « système <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>fermé<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » }}il est, en pratique, indéformable et est alors qualifié de « solide » au sens de la mécanique ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Préliminaire : }}l’exposé ci-dessous s'applique à un système discret <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de points matériels ou un système continu <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}<u>Exposé</u> : Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière" /> indéformable, en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe <math>\,\Delta</math>, fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen », <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}tous les points ont le même vecteur rotation instantanée <math>\,\vec{\Omega}(t) = \overline{\Omega}(t)\;\vec{u}_{\Delta}\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\big[\vec{u}_{\Delta}\,</math> étant le vecteur unitaire orientant l'axe de rotation <math>\,\Delta\,</math> et <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\big[}</math>}}autour de cet axe de rotation <math>\,\Delta\big]\,</math> d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe"> Expression ne nécessitant pas que l'axe <math>\,\Delta\,</math> soit fixe, la fixité de l'axe dans un référentiel intervenant quand ce dernier est galiléen et quand on utilise l'un des théorèmes fondamentaux de la dynamique de rotation des systèmes <math>\,\big\{</math>par exemple le théorème de l'énergie cinétique établi dans ce paragraphe mais le traavail élémentaire déveeloppé par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» ne nécessite pas que <math>\,\Delta\,</math> soit fixe<math>\big\}</math>.</ref>{{,}} <ref name="travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur un système en rotation"> Voir le paragraphe « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> {{Nobr|«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)</math>}} <math>= \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;</math>» et le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\delta W\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right] = \mathcal{P}\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right]\;dt\;</math>» puis, en faisant la somme membre à membre de façon à définir le travail élémentaire du sytème des forces extérieures s'exerçant sur le système en rotation «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)\;dt\;</math>».</ref> où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> est le moment <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» ou, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>du travail élémentaire }}avec «<math>\;\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta\;</math>» dans lequel <math>\,\theta(t)\,</math> est l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, la réécriture <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>,«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>de la variation de l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}}\;</math>» avec, l'énergie cinétique, à l'instant <math>\,t</math>, de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le cadre de la cinétique newtonienne «<math>\;K_{\text{syst. en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en rotation autour d'un axe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d’un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d’un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> avec «<math>\;J_\Delta\,</math> le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}relativement à <math>\,\Delta\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe"> Voir la notion de moment d'inertie d'un système discret ou continu dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Application_à_un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe#Application_au_cas_d'un_«_système_fermé_de_matière_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe_«_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|application d'un système fermé de matière en rotation autour d'un axe Δ fixe quelconque dans un référentiel d'étuide galiléen]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> d'où, en cinétique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> appliqué à un solide <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_solide_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d'un système }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> avec «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» et «<math>\;\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <math>\,\overline{\Omega}(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}<math>= \dot{\theta}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> encore égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>avec <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> et <math>\,\theta(t)\,</math> l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" />, sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail du moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail du }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[\theta(t)\,</math> étant l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation est égale au travail du «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[\theta}\,</math> étant l'abscisse angulaire }}à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> étant le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = 2\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)}\;</math>» <math>\,\big[</math>}}<math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] <math>\,\big(</math>photographié ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_(non_amorti)|mise en équation différentielle du mouvement du pendule de torsion (non amorti)]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Théorème_de_la_puissance_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_autour_d'un_axe_Δ_fixe_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe dans un référentiel d'étude galiléen]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. {{Al|5}}Ci-contre le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec deux fils de torsion identiques de même constante de torsion «<math>\;C\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec }}positions de masselottes identiques <math>\,\big(</math>sauf pour la couleur<math>\big)\,</math> de part et d'autre du point <math>\,C\,</math><ref name="distinction entre point d'attache des fils sur la tige et constante de torsion des fils"> On accepte la même notation pour le point d'attache des deux fils sur la tige et la constante de torsion de ces derniers tant qu'il n'y a pas d'ambiguïté <math>\,\big(</math>ce qui ne devrait jamais arriver compte-tenu du fait que ces deux grandeurs sont de nature différente<math>\big)</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec positions de masselottes identiques }}<math>\,\big(C\,</math> point d’attache des deux fils de torsion sur la tige<math>\big)</math> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre <math>\,\big(</math>en absence de masselottes<math>\big)\,</math> diffère du « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] » de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici l'extrémité supérieure <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil de torsion supérieur est mobile au lieu d'être fixe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur étant dans les deux fixe et <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici la torsion initiale est fournie par rotation propre de <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> d'un angle «<math>\;2\,\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>repéré sur le cercle gradué lié à <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}</math>, position de référence du cercle gradué<math>\big)\,</math> <math>\Rightarrow</math> en pratique, après quelques oscillations, la tige <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}acquiert la position d'équilibre repérée par l'angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>voir vérification ci-dessous<math>\big)\,</math> alors que <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] la torsion initiale est fournie par rotation de la tige d'un angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>également repéré <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>dans le pendule du chap.7 }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}\big)</math>, la position d'équilibre de la tige étant repérée par l'angle nul ; {{Al|5}}<u>vérification de la position d'équilibre de la tige dans le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}orientant les deux fils de torsion du bas vers le haut, quand la tige acquiert la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion supérieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche"> Une hélice est « droite » si le point tourne sur la gauche <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique direct ou encore dans le sens antihoraire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée et <br>{{Al|31}}elle est « gauche » si le point tourne sur la droite <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique indirect ou encore dans le sens horaire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée <br>{{Al|3}}<math>\,\big[</math>revoir aussi la distinction « hélices gauche ou droite » dans le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Mouvement_de_particules_chargées_dans_des_champs_électrique_et_magnétique_:_Cas_particulier_d'un_champ_magnétostatique_uniforme#Nature_hélicoïdale_uniforme_du_mouvement_de_la_particule|nature hélicoïdale uniforme du mouvement de la particule]] » du chap.<math>24</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> d'un angle «<math>\;\theta_1 - 2\;\theta_1 = -\theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil"> L'angle de torsion du fil qui intervient dans le vecteur moment du couple de torsion est l'angle que fait l'extrémité mobile relativement à l'extrémité maintenue fixe même si cette extrémité est fixée avec torsion initiale comme c'est le cas pour le fil supérieur <math>\,\big\{</math>on peut vérifier que cette définition correspond bien au schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » car {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{A_0B_0}\;</math>»}} est lié à l'extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil supérieur et «<math>\;\overrightarrow{AB}\;</math>» à l’extrémité mobile <math>\,C\,</math> et il en est de même pour l'éventuel fil de torsion inférieur<math>\big\}</math>.</ref> par rapport à son extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion supérieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} = -C \left( -\theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion inférieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche" /> d’un angle «<math>\;\theta_1 - 0 = \theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil" /> par rapport à l’extrémité <math>\;O_{\text{inf}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion inférieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = -C \left( \theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = -C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur la tige vérifiant «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} + \vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = \vec{0}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur }}la tige est effectivement en équilibre dans cette position <math>\;\ldots</math> {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <math>\,\big\{</math>ensemble solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC"> L'axe <math>\,\Delta_C\,</math> est le support des fils de torsion.</ref> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemb}}le solide étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles"> Repérée par rapport à la position de l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemble solide étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des masselottes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des masselottes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des masselottes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur"> L'angle de torsion du fil supérieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 2\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation"> Il s'agit de l'application de la puissance instantanée développée par un système de forces extérieures sur un solide en rotation autour d'un axe fixe <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d'un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> quand le système de forces extérieures est équivalent à un couple <math>\,\big[</math>c.-à-d. un système dont la résultante est nulle et dont le moment résultant scalaire relativement à l'axe de rotation définit le moment scalaire du couple<math>\big]</math>.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur"> L'angle de torsion du fil inférieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 0 = \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cin%C3%A9tique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d'un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;</math> est le moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et masselottes » en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_C\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre"> Ce qui suppose que <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> est non identiquement nulle <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\theta(t)\,</math> n'est pas une constante c.-à-d. que le solide n'est pas à sa position d'équilibre.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à droite «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta_1\;</math>», équation différentielle linéaire <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants sans terme du 1^er ordre hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_non_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition non énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] », la présence d'un 2^nd membre constant signifiant que le paramètre caractérisant l'oscillateur dans l'espace n'est pas nul à l'équilibre.</ref> de rotation ; {{Al|5}}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Conséquence_«_le_pendule_de_torsion_(non_amorti)_est_un_oscillateur_harmonique_non_amorti_de_rotation_»|conséquence : le pendule de torsion (non amorti) est un oscillateur harmonique non amorti de rotation]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » ; [[File:Pendule de torsion amorti - vue de dessus.png|thumb|300px|Vue de dessus d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti par substitution d'ailettes planes aux masselottes fixées sur la tige <math>\,\big(</math>les fils de torsion supérieur et inférieur <math>\,\perp\,</math> au plan de la figure ne peuvent y être représentés<math>\big)</math>]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> du }}<math>\big(</math>voir vue de dessus partielle représentée ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre étant écarté initialement comme celui de début de paragraphe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, le pendule ci-contre étant écarté initialement }}la tige acquiert donc une position d'équilibre repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}l'ensemble « tige et ailettes » étant un solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC" /> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant }}le solide est, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant le solide est, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}les actions extérieures sont <math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des ailettes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{ailettte}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des ailettes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des ailettes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{ailette}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu dans lequel se déplace le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] exercent sur les ailettes, modélisées par un <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> }}couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Couple_de_frottement_fluide_linéaire_agissant_sur_le_pendule_par_l’intermédiaire_des_ailettes|couple de frottement fluide linéaire agissant sur le pendule par l'intermédiaire des ailettes]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple }}<math>\big[H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}et du fluide sur lequel frottent les ailettes<math>\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide la puissance instantanée }}selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\,</math> est le moment d'inertie du solide « tige + ailettes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et ailettes » en rotation autour de <math>\,\Delta_C\,</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t) - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t) - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1 - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étudié «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta_1\;</math>», équation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}différentielle linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique" /> de rotation ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Loi_horaire_de_position_angulaire_du_pendule_de_torsion_amorti|loi horaire de position angulaire du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ». == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule pesant non amorti à un degré de liberté - forces extérieures.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté <math>\,\big(</math>schématisé ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_non_amorti_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_du_moment_cinétique_scalaire|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant non amorti (à un degré de liberté) par application du théorème du moment cinétique scalaire]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />. {{Al|5}}Ci-contre schéma de face du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] idéale <ref name="liaison idéale"> C.-à-d. dans laquelle on peut négliger les frottements solides.</ref> du solide en rotation autour de l’axe horizontal <math>\,\Delta_O\;</math><ref name="liaison pivot du pendule"> Pour plus de détails voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Présentation_du_pendule_pesant_(non_amorti)_«_P.P.(N.A.)_»|présentation du pendule pesant (non amorti) P.P.(N.A.)]] (liaison pivot avec le point O) » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Non Amorti.</ref> à un degré de liberté ayant un mouvement de rotation imposé par la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] du solide avec l'axe <math>\,\Delta_O</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté }}son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,O</math>, d'axe <math>\,\Delta_O\,</math> orienté par le vecteur unitaire «<math>\;\vec{u}_{\Delta_O}\;</math>» et <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,\color{transparent}{O}</math>, }}de rayon «<math>\;\mathfrak{a}\;</math>» avec, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. }}<math>G\,</math> repéré par son abscisse angulaire «<math>\;\theta_G(t) = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\overrightarrow{OG}(t) \right\rbrace} = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\vec{u}_r(t) \right\rbrace}\;</math>» <ref name="noté theta"> Noté «<math>\;\theta(t)\;</math>» par la suite en absence d'ambiguïté.</ref> ; {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = \left[ \overrightarrow{OG}(t) \wedge m\;\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_O} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids"> Le moment vectoriel du poids par rapport à <math>\,O\,</math> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)\;</math>» a établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_liaison_sphérique_et_avec_les_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b),_établissement_de_la_nature_plane_du_mouvement_du_C.D.I._G_du_P.P.(N.A.)|dans le cas d'une liaison sphérique et avec les C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), établissement de la nature plane du mouvement du C.D.I. G du P.P.(N.A.)]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] », soit «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\varphi_G}(t)\;</math>» avec <math>\,\vec{u}_{\varphi_G}\,</math> s'identifiant à <math>\,\vec{u}_{\Delta_O}</math>. <br>{{Al|3}}On pouvait aussi déterminer directement le moment scalaire du poids, le schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_«_liaison_pivot_»_ou_d’une_«_liaison_sphérique_avec_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b)_»,_nouveau_repérage_adapté_à_la_nature_rotatoire_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_à_un_degré_de_liberté|dans le cas d'une liaison pivot ou d'une liaison sphérique avec C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), nouveau repérage adapté à la nature rotatoire du mouvement du P.P.(N.A.) à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » étant fait avec le paramètre de position angulaire <math>\,\theta > 0</math>, on observe que le poids tend à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,-\,</math> avec un bras de levier <math>\,\big(</math>distance orthogonale séparant l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du support de <math>\,m\;\vec{g}\big)\,</math> égal à <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où, dans le cas où <math>\,\theta\,</math> est <math>\,> 0</math>, {{Nobr|«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)</math>}} <math>= - \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>» <math>\,\Big\{</math>le résultat est indépendant du signe de <math>\,\theta\,</math> mais si le schéma était fait avec <math>\,\theta < 0</math>, on observerait que le poids tendrait à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,+\,</math> avec un bras de levier <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = + \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = m\;g\;\left[ -\mathfrak{a}\; \sin(\theta) \right] = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>», soit effectivement le même résultat <math>\,\big[</math>avec toutefois une possibilité d'erreur si on oubliait que <math>\,\theta < 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert = -\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\big]\Big\}</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_particulier_où_M_est_en_mouvement_circulaire_d'axe_Δ_et_de_vitesse_angulaire_instantanée_Ω(t)|cas particulier où M est en mouvement circulaire d'axe Δ et de vitesse angulaire instantanée Ω(t)]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> de la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I."> Conditions Initiales.</ref> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O"> On a établi dans la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#cite_note-réduction_à_deux_composantes_de_la_réaction_dans_ces_C.I.-18|¹⁸]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » que la réaction du point <math>\,O\,</math> dans l'hypothèse d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] sur le pendule lancé dans les C.I. <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\,</math> ou <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\,</math> s'écrirait <math>\,\vec{R}(t) =</math> <math>R_{\rho_G}(t)\;\vec{u}_{\rho_G}(t) + R_z(t)\;\vec{u}_z</math>, c.-à-d. que la réaction serait dans le plan vertical de lancement soit encore «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» ; <br>{{Al|3}}on établit de même <math>\,\big[</math>sans que cela ait été exposé dans le chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> que la réaction de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le pendule quels que soient les C.I. de lancement compatibles avec la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] s'écrit «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>».</ref> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul"> En effet la force étant <math>\,\perp\,</math> à l'axe par rapport auquel son moment scalaire est évalué est de bras de levier nul.</ref> auquel s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe"> Le couple étant de moment vectoriel <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta_O</math>.</ref> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée à la date <math>\,t\,</math> par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée développée à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|7}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}sans terme du 1^er ordre ; {{Al|5}}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique"> On appelle « [[w:Solution_de_forme_fermée|solution analytique]] » d'une équation différentielle, une expression mathématique <math>\,\big(</math>souvent dite « formule explicite »<math>\big)\,</math> pouvant s'obtenir par une combinaison d'opérations et de [[w:Fonction_de_référence|fonctions de référence]] <math>\,\big(</math>c.-à-d. fonctions affines, puissances, trigonométriques et exponentielles ainsi que leurs fonctions inverses sur un domaine de définition restreint pour lequel il y a bijection et même certaines solutions d'équations différentielles dites de référence<math>\big)</math>, les opérations étant l'addition, la soustraction, la multiplication, la division et l'extraction de racines.</ref> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’élongations_angulaires_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'élongations angulaires non petites]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il est nécessaire de procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="solution analytique dans le cas d'élongations petites"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Cas_particulier_des_«_petites_élongations_angulaires_»,_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_=_oscillateur_harmonique_(non_amorti)_approché_de_rotation,_période_des_«_petites_oscillations_»|cas particulier des petites élongations angulaires, pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) oscillateur harmonique (non amorti) approché de rotation, période des petites oscillations]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. [[File:Pendule pesant amorti à un degré de liberté - forces extérieures - bis.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures, <math>\,I\,</math> étant le point où la résultante des forces de frottement fluide peut être appliquée]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti <math>\,\big(</math>voir coupe partielle représentée ci-contre<math>\big)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire" /> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I." /> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O" /> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul" /> où s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe" /> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu où se déplace le [[w:Pendule_pesant|pendule]] exercent sur ce dernier, de vecteur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}moment en <math>\,O\,</math> <math>\,\overrightarrow{\mathcal{M}}_{O,\,\text{flu}}(t)\,</math> et de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\Delta_O,\,\text{flui.}}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti" />{{,}} <ref name="définition de H"> <math>\,H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]], de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frotte le solide.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Amorti.</ref> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0 - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right] - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_O}}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}avec terme linéaire du 1^er ordre ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique" /> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’amplitudes_initiales_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'amplitudes initiales non petites]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il faut procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique - bis"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » nécessitant néanmoins d'ajouter le terme d'amortissement <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A." />. == « En complément », caractère conservatif du couple de torsion, énergie potentielle de torsion et conservation de l’énergie mécanique du pendule de torsion (non amorti) dans le champ de torsion du fil == {{Al|5}}Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » ne sont pas explicités dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » }}il me semble souhaitable de le retenir <math>\,\big(</math>et bien sûr d’être capable de le retrouver<math>\big)</math>. === Caractère conservatif du couple de torsion === {{Al|5}}Le travail élémentaire d’un couple de torsion s’exerçant sur un solide, de vecteur moment «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t) = -C\;\alpha(t)\;\vec{u}_\Delta\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Expression_du_vecteur_moment_du_couple_de_torsion_exercé_par_le_fil_en_fonction_de_l'angle_de_torsion_«_α(t)_»,_notion_de_constante_de_torsion_«_C_»_du_fil_de_torsion|expression du vecteur moment du couple de torsion exercé par le fil de torsion α(t), notion de constante de torsion C du fil de torsion]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> lors d’une torsion élémentaire «<math>\;d \alpha\;</math>» <ref name="définition de Delta et alpha sur le fil de torsion"> <math>\,\Delta\,</math> étant la direction du fil de torsion orienté par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et «<math>\;\alpha\;</math>» l'angle de torsion algébrisé, défini au niveau de la liaison au solide dans le plan <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta\,</math> et orienté par <math>\,\vec{u}_\Delta</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion }}étant défini selon «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>», <math>\,\big[\overline{\Omega}(t)\,</math> étant la vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt}\;</math>», <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \alpha\;</math>»<math>\big]\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> soit finalement <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon }}«<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -C\;\alpha\; d \alpha\;</math>» correspondant à une différentielle de fonction <math>\Rightarrow</math> le <u>caractère conservatif du couple de torsion</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple"> Pour montrer qu’une force est conservative, on évalue son travail élémentaire en prenant un vecteur déplacement élémentaire quelconque <math>\,\overrightarrow{dM}\,</math> à partir du point d'application <math>\,M\,</math> de la force <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#2ème_définition_(équivalente)_d'une_force_«_conservative_»|2^ème définition (équivalente) d'une force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> ; <br>{{Al|3}}lorsqu'il s’agit d'un couple de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, il faut évaluer son travail élémentaire en envisageant une rotation élémentaire quelconque autour de n'importe quelle direction, le couple est alors conservatif si ce travail élémentaire est une différentielle de fonction mais <br>{{Al|3}}{{Transparent|lorsqu'il s'agit d'un couple }}dans le cas d’un couple de torsion de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, la seule direction autour de laquelle peut s’effectuer une rotation élémentaire est celle du fil c.-à-d. celle de <math>\,\vec{\Gamma}\,</math> et par suite la seule condition pour que le couple de torsion soit conservatif est que son travail élémentaire en considérant une rotation élémentaire autour de la direction du fil de torsion soit une différentielle de fonction ou encore que « le moment scalaire du couple de torsion par rapport au fil ne dépende que de l'angle de torsion <math>\,\alpha\;</math>» C.Q.E.R. <math>\,\big(</math>Ce Qui Est Réalisé<math>\big)</math>.</ref>. === Énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion === {{Al|5}}L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,U_{\text{tors}}\,</math> dont « dérive » le couple de torsion de vecteur moment <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}est définie par «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#1ère_définition_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|1^ère définition de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> c.-à-d. «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(\alpha)\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\,</math> ou <math>\,-C\;\alpha\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <math>\Leftrightarrow</math> «<math>\;\dfrac{dU_{\text{tors}}}{d \alpha} = C\;\alpha\;</math>» soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}en intégrant «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2 + cste\;</math>» ; choisissant la référence de l’énergie potentielle de torsion <math>\;U_{\text{tors}}(\alpha)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle"> C.-à-d. l'endroit où l'énergie potentielle est choisie nulle.</ref> <br>{{Al|7}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> en intégrant «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\alpha) = 2\; C\;\alpha^2 + cste}\;</math>» ; choisissant la référence }}quand le fil n’est pas tordu c.-à-d. <math>\,U_{\text{tors}}(0) = 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = 0</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}l'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d’un fil et sa conservation en absence de frottement === [[File:Pendule de torsion sans masselottes - actions exercées.png|thumb|500px|Schéma d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] représenté sans masselottes additives et avec fil inférieur sans torsion avec ajout des actions exercées sur la tige à l'instant <math>\;t</math>]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec un seul fil de torsion, l'autre fil étant sans torsion <math>\,\big(</math>voir schéma ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec un seul fil de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}la seule action extérieure de moment scalaire non nul par rapport à la direction <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}commune du fil de torsion et du fil sans torsion <math>\;\big(</math>orientée par le vecteur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> étant le couple « conservatif » de torsion <ref name="conservativité du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Caractère_conservatif_du_couple_de_torsion|caractère conservatif du couple de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}moment vectoriel «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}} = -C\;\alpha\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion /> auquel on associe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie potentielle de torsion du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre valant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;U_{\text{tors}}(t) =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion énergie potentielle de torsion }}<math>\,\dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_torsion_du_solide_relié_au_fil_de_torsion|énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}son énergie cinétique à la date <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{pend. tors.}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique }}<math>J_{CO_{\text{sup}}}\,</math> est le moment d'inertie du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] relativement à la <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique <math>\color{transparent}{J_{CO_{\text{sup}}}}\,</math> est }}direction du fil de torsion et du fil sans torsion <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à l'instant <math>\,t\,</math> selon «<math>\;E_m(t) = K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Propriétés_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|propriétés de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] (2^ème propriété) » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha_0 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\alpha(0) = \alpha_0\;</math> et <math>\,\dot{\alpha}(0) = 0\;</math>». [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]]]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige <math>\,\big(</math>voir photographie ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec deux fils de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}il y a deux actions extérieures s'exerçant sur le solide « tige + masselottes » de moment scalaire non nul par rapport à <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}la direction commune <math>\,\Delta_C\,</math> des deux fils de torsion <math>\,\big(</math>orientée par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}élémentaire du solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}prouve le <u>caractère conservatif du couple de torsion du fil supérieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}supérieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = -d U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta = -d U_{\text{tors. sup.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. sup.}}}{d \theta} = C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\,</math> qui s'intègre en <math>\,U_{\text{tors. sup.}}</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,= \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> et, en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. sup.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du solide à l'équilibre » c.-à-d. <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre"> Revoir l'explication rappelée dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans le chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil supérieur du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta_1 - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_1 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion"> Symboliquement l'énergie potentielle d'un solide dans le champ de torsion d'un fil de torsion s'obtient, à une constante additive près, par la moitié du produit de la constante de torsion du fil et du carré de l'angle de torsion, à l'instant <math>\;t</math>, du fil au point d'attache du solide.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation élémentaire du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\; \theta(t)\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et prouve le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<u>caractère conservatif du couple de torsion du fil inférieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}inférieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = -d U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\;\theta\;d \theta = -d U_{\text{tors. inf.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. inf.}}}{d \theta} = C\; \theta\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{tors. inf.}} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} + cste_2\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. inf.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position du solide à l'équilibre » c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil inférieur du solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2} + cste_2 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_2 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}finalement l'énergie potentielle globale de torsion du solide « tige + masselottes » <math>\,\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale }}s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = U_{\text{tors. sup.}}(\theta) + U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» ou, en simplifiant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale s'écrit }}«<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2\;</math>» <ref> En effet <math>\,\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + 2\;C\; \theta_1^{\,2} + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + C\; \theta_1^{\,2} = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2</math>.</ref>{{,}} <ref> Cette énergie potentielle de torsion du solide « tige + masselottes » est la même que celle que l'on obtiendrait avec un seul fil de torsion de constante de torsion <math>\,2\,C</math>, l'autre fil étant sans torsion avec la référence en la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>.</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule ci-dessus étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «<math>\;\color{transparent}{K_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#%Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torion par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique de l'ensemble tige + masselottes) » plus haut dans ce chapitre.</ref> avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule }}<math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion des deux fils définie, à l'instant <math>\,t\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie mécanique }}«<math>\;E_m(t) = K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}\! \left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\alpha\;</math>» dans le 1^er exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] ou <br>{{Al|57}}celui «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta - \theta_1 \right]^2 \,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du 2^ème exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|même]] paragraphe <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}étant parabolique, nous retrouvons la <u>2^ème définition d’un oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math>de rotation<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_(équivalente)_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition (équivalente) énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. <br>{{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> de son mouvement dans le 2^ème exemple du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}«<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2 = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>», <br>{{Al|58}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}les C.I. <ref name="C.I." /> étant «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}est donc une <u>ellipse décrite dans le sens horaire</u> <ref name="portrait de phase d'un socillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Tracé_du_portrait_de_phase_de_la_charge_du_condensateur_d'un_«_R_L_C_série_»_soumis_à_un_échelon_de_tension_suivant_le_cœfficient_d'amortissement|propriétés des portraits de phase de la charge du condensateur d'un RLC série soumis à un échelon de tension suivant le cœfficient d'amortissement]] (cas d'un circuit oscillant non amorti en vert) » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. == Conservation de l’énergie mécanique du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) dans le champ de pesanteur uniforme == === Énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant === {{Al|5}}Dans le cas d'un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref><math>\big)</math>, le poids du solide étant la seule action extérieure travaillant et ce dernier étant conservatif <ref name="poids d'un objet conservatif"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Établissement_du_caractère_«_conservatif_»_du_poids_d'un_point_matériel_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|établissement du caractère conservatif du poids d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, }}on lui associe l'énergie potentielle de pesanteur «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta)\;</math>» <ref name="énergie potentielle de pesanteur"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#«_Énergie_potentielle_de_pesanteur_d'un_point_matériel_»_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|énergie potentielle de pesanteur d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> déterminée en intégrant «<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = -dU_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> avec <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)\,</math> travail élémentaire du poids lors d'une rotation élémentaire d'angle <math>\,d \theta = \dot{\theta}(t)\;dt\,</math> autour de <math>\,\Delta_O\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe «<math>\;\color{transparent}{\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)}\,</math>}}<math>= \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;dt = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)\;dt = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;d \theta\;</math>» <ref name="travail élémentaire du poids du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (actions extérieures exercées sur le solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> d'où <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}<math>\,-dU_{\text{pes}} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\;d \theta\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{pes}}}{d \theta}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\,</math> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right) + cste\;</math>» <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}soit, en choisissant comme référence de l'énergie potentielle <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> « la position <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}d'équilibre stable de ce dernier <ref name="équilibre stable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessous de ce dernier.</ref> <math>\,\theta_{\text{éq. stable}} = 0\;</math>» d'où <math>\,U_{\text{pes}}(0) = 0\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}<math>\Rightarrow</math> <math>\,0 = -m\;g\;\mathfrak{a} + cste\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = m\;g\;\mathfrak{a}\,</math> d'où l'expression de <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}l'énergie potentielle de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> se réécrit selon <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta \right) \right]\;</math>» <ref> Pour trouver l'expression de l'énergie potentielle de pesanteur on peut aussi utiliser <math>\,\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = m\;g\;dz_G = -dU_{\text{pes}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{pes}} = -m\;g\;z_G + cste\,</math> sachant que <math>\,z_G = \mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right)\,</math> avec pour position d'équilibre stable <math>\,z_{G,\,\text{éq. stable}} = \mathfrak{a}</math> <math>\;\ldots</math></ref> <math>\,\big(</math>référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : la position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement === {{Al|5}}Considérant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A." /><math>\big)</math>, l'énergie potentielle de pesanteur étant «<math>\;U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right] = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\,</math> avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> <math>\,\theta_{\text{équi. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P."/> » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> et <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie cinétique du solide constituant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique du solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> dans laquelle <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie cinétique}}«<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du solide par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie mécanique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> dans le champ de pesanteur «<math>\;E_m\!(t) = K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) + U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right]</math> <br>{{Al|23}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie mécanique du P.P.N.A. dans le champ de pesanteur «<math>\;\color{transparent}{E_m\!(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{P.P.N.A.}}(t) + U_{\text{pes}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P..P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\,\left[ 1 - \cos(\theta) \right]\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}n'étant pas parabolique <math>\,\big(</math>mais sinusoïdal<math>\big)</math>, nous pouvons affirmer que <u>le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> n'est pas un oscillateur harmonique</u> <math>\,\big(</math>quand il est en situation d'osciller<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <math>\blacktriangleright\;</math>« oscillatoire pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'énergie mécanique initiale du P.P.N.A. vaut «<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^2 + m\;g\; \mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta_0 \right) \right]\;</math>».</ref> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. est }}<math>\blacktriangleright\;</math>« révolutive pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="étude du mouvement d'un P.P.N.A. par diagramme d'énergies"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Étude_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_dans_le_cas_général_des_élongations_angulaires_non_petites_par_diagramme_énergétique|étude du mouvement du P.P.(N.A.) dans le cas général des élongations angulaires non petites par diagramme énergétique]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}de démontrer, avec utilisation simultanée de l'intégrale 1^ère énergétique <ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'intégrale 1^ère énergétique du P.P.N.A. s'écrit «<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^{\,2} + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet de démontrer, }}la nature « périodique <math>\,\big(</math>oscillatoire ou révolutive<math>\big)\;</math>» ainsi que <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}d’établir l’expression de la période sous forme intégrale <math>\ldots</math> {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Les [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d’un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ayant pour équation implicite l’intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\;</math><ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" /> de son mouvement lequel dépend de la valeur de l'énergie mécanique initiale <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />, <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. }}diffèrent suivant <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="différents portraits de phase d'un P.P.N.A."> Voir les paragraphes « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Tracé_des_portraits_de_phase_dans_le_cas_général_«_d'oscillations_ou_de_mouvement_révolutif_»_d'un_P.P.S._lancé_dans_les_C.I._«_1b_U_1a_»|tracé des portraits de phase dans le cas général d'oscillations ou de mouvement révolutif d'un P.P.S. lancé dans les C.I. 1b U 1a]] » du chap.<math>12</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\,\big(</math>l'allure des [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti étant la même que ceux d'un [[w:Pendule_simple|pendule simple]] non amorti<math>\big)\,</math> et « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Différents_portraits_de_phase_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté),_«_bifurcation_»_entre_mouvement_«_pendulaire_»_et_révolutif|différents portraits de phase du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté), bifurcation entre mouvement pendulaire et révolutif]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>pendulaire</u> <ref name="pendulaire"> Adjectif synonyme d'« oscillatoire ».</ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>fermé</u>, décrit dans le « <u>sens horaire</u> » <ref name="justification du sens horaire"> Ou « trigonométrique indirect », en effet « quand <math>\,\dot{\theta}\,</math> est <math>\,> 0</math>, <math>\,\theta \nearrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \nearrow\,</math> puis <math>\,\searrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule » ensuite «<math>\;\dot{\theta}\,</math> est <math>\,< 0</math>, correspondant à <math>\,\theta \searrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \searrow\,</math> puis <math>\,\nearrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule de nouveau » <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}avec le point «<math>\;\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)\;</math>» comme « <u>centre de </u>{{Nobr|<u>symétrie</u> » <ref name="justification du centre de symétrie"> Invariance de l’équation en changeant «<math>\;\theta\,</math> en <math>\,-\theta\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des vitesses angulaires <math>\,\big(</math>en fait antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>» et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Invariance de l’équation }}en changeant «<math>\;\dot{\theta}\,</math> en <math>\,-\dot{\theta}\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des abscisses angulaires <math>\,\big(</math>là encore c'est une antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|3}}l’association des deux symétries axiales <math>\,\big(</math>ou plutôt des deux antisymétries axiales<math>\big)\,</math> donnant un centre de symétrie pour l'intersection des deux axes <math>\,\big[</math>le point d'intersection des deux axes étant réellement une symétrie centrale <math>\,\big(</math>et non une antisymétrie centrale<math>\big)</math>.</ref>}} <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, avec le point «<math>\;\color{transparent}{\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)}\;</math>» }}correspondant à la position d’équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /> du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ; <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> }}<math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>révolutif</u>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>ouvert</u>, constitué de la <u>répétition du motif de l'intervalle</u><math>\;\left] -\pi\, , \, \pi \right]</math>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase }}répété <math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \nearrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} > 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 > 0\;</math>» ou <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase répété }}<math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \searrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} < 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 < 0\;</math>», <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)\;</math>» et celui avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,-\dot{\theta}_0 > 0 \right)\;</math>» <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, le portrait de phase avec C.I. «<math>\;\color{transparent}{\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)}\;</math>» }}étant <u>antisymétriques</u> l'un de l'autre, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>maxima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre stable</u> <ref name="équilibre stable du P.P." /> «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres stables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» ;<br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}\;</math>»<math>\big)\;</math> alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big)</math>.</ref> et <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>minima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre instable</u> <ref name="équilibre instable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessus de ce dernier.</ref> «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;</math> <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, les minima de<math>\;\color{transparent}{\vert \dot{\theta} \vert}\;</math>obtenus pour les positions d’équilibre instable «<math>\;\color{transparent}{\theta_{\text{éq. inst.}} =}</math> }}<math>\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres instables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = -\left( 2\;p' + 1 \right)\, \pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big[</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big]\;</math>.</ref>. == « Généralisation » à tout « solide » : « théorème de la variation de l’énergie mécanique » et la forme locale associée « le théorème de la puissance mécanique », application au cas d’un solide amorti == {{Al|5}}Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à la généralisation à tout système de points matériels ou continu de matière « indéformable » <ref name="solide au sens de la mécanique" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à }}la généralisation aux systèmes de points matériels ou continus de matière « déformables » sera faite dans le chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Lois_de_l'énergie_cinétique_pour_un_système_déformable_de_points_matériels#«_En_complément_»,_théorème_de_la_variation_de_l’énergie_mécanique_appliqué_à_un_système_de_matière_déformable_dans_le_champ_des_forces_extérieures_et_intérieures_conservatives_et_sa_forme_locale_«_le_théorème_de_la_puissance_mécanique_»|en complément : théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un système de matière déformable dans le champ des forces extérieures et intérieures conservatives et sa forme locale le théorème de la puissance mécanique]] » du chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. === Théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s’écrivant «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\bullet\;</math>celles qui sont conservatives <math>\,\big(</math>lesquelles « dérivent » d’une énergie potentielle<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{ransparent}{\bullet}\;</math>}}dont le travail pendant cette durée finie est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées }}<math>\bullet\;</math>celles qui sont non conservatives <ref name="non conservatives"> Ou, si elles sont conservatives, dont on ne considère pas le caractère « conservatif ».</ref> dont le travail pendant cette durée finie <br>{{Al|12}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>celles qui sont non conservatives dont }}est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}d'où «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou, avec «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, }}<math>\big(U_{\text{ext}}\,</math> étant l'énergie potentielle dont dérivent les forces conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, <math>\color{ransparent}{\big(}</math>}}définie à une constante additive près précisée par choix de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}<math>\Rightarrow</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» d’où la réécriture du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « solide <math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\left( \mathcal{S} \right)} + U_{\text{ext}} \right] = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» où on reconnaît dans le 1^er membre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}la variation de l’énergie mécanique «<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t) + U_{\text{ext}}\!(t)\;</math>» du solide «<math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le champ des forces conservatives sur la durée <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> dans le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où dans le champ des forces conservatives }}référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen d'où, finalement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}le lien entre la variation de l'énergie mécanique du « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;\Delta E_m = E_{m,\,\mathcal{F}} - E_{m,\,\mathcal{I}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» le lien }}le travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> sur cette même durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}«<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» applicable à un solide dans un référentiel d’étude galiléen, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}l'énoncé du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie dans un référentiel galiléen <ref> Ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. sous la forme où il existe des forces extérieures non conservatives dissipatives mais, comme le cas où toutes les forces extérieures travaillant sont conservatives est clairement explicité <math>\,\big(</math>sous la forme de la conservation de l’énergie mécanique du solide<math>\big)</math>, le cas où il existe des forces extérieures travaillant et non conservatives <math>\,\big(</math>comme des forces de frottement<math>\big)\,</math> s’appliquant à un solide peut difficilement être ignoré d'où l'ajout du théorème sous sa forme la plus générale <math>\;\ldots</math></ref>. : {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}<math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <math>\,K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation «<math>\;\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» }}égale au travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale au travail }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire dans un référentiel galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique }}se déduit aisément de sa forme sur une durée finie soit {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}conservatives <math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}<math>K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> <math>\color{transarent}{K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)}\,</math> l'énergie cinétique }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation élementaire«<math>\;d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t)\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» }}égale au travail élémentaire des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» égale au travail }}appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;d E_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide }}est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée finie ou élémentaire se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>». === Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de la puissance mécanique est la forme locale associée à la forme intégrée <ref name="forme intégrée de forme locale" /> “ théorème de la variation de l'énergie mécanique sur une durée finie ou élémentaire ” ; {{Al|5}}pour obtenir cette forme locale on écrit le théorème de la variation de l’énergie mécanique d’un solide dans le champ des forces extérieures conservatives entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math><ref> C.-à-d. la forme élémentaire du théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un solide.</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on écrit }}«<math>\;dE_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\,</math> dans un référentiel galiléen » puis, <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on divise les deux membres par <math>\,dt\,</math> soit «<math>\;\dfrac{dE_m}{dt} = \dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{dE_m}{dt}\;</math>» est la dérivée temporelle de l’énergie mécanique du solide dans le champ des forces extérieures conservatives définissant <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}la puissance mécanique du solide à l'instant <math>\,t\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives, notée «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» la puissance instantanée développée, à l'instant <math>\,t</math>, par les forces extérieures non conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}appliquées au solide notée «<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on obtient «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» d'où l'énoncé du théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen : {{Théorème|titre=Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide »|contenu = {{Al|5}}La puissance mécanique à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> <math>\big[</math>avec, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie mécanique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{ext}}(t)}\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces }}conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math>» l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique }}est égale à la puissance instantanée développée par les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique est égale à }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> au même instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide à un instant <math>\,t\,</math> quelconque se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}c.-à-d., après intégration, « la conservation de l’énergie mécanique du solide précédemment défini ». === Application au cas d’un solide amorti === {{Al|5}}Parmi les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées à un solide et travaillant, « les plus fréquentes sont dissipatives » <ref> Mais elles peuvent aussi être motrices par exemple, si nous souhaitons que les oscillations d’un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ou d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] perdurent alors qu’existent naturellement des frottements {{Nobr|<math>\,\big(</math>même}} minimes<math>\big)</math>, il est nécessaire de les entretenir à l’aide d’une force extérieure motrice compensant les forces de frottement, cette force motrice étant alors usuellement non conservative tout comme le sont les forces de frottement.</ref> comme les forces de frottement fluide <math>\,\big(</math>ou solide<math>\big)</math> ; {{Al|5}}si les seules forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> travaillant sont des forces de frottement s'exerçant sur un solide en mouvement dans un référentiel galiléen, <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces }}conservatives <ref name="théorème de la puissance mécanique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_la_puissance_mécanique_appliqué_à_un_«_solide_»|théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}s’écrivant «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{frott}}\!(t) < 0\;</math>» dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}l'énergie mécanique de ce solide «<math>\;E_m(t) \searrow\,</math> au sens strict » avec <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}</math> <math>\big(</math>il est qualifié d'« amorti »<math>\big)</math>. ==== Cas particulier du pendule de torsion amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] dont la photographie est dans un « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|paragraphe plus haut dans ce chapitre]] » mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}avec les masselottes remplacées par des ailettes comme présenté dans le schéma de vue de dessus de la « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|remarque du paragraphe précité]] », <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d'un fil et sa conservation en absence de frotemment]] (2^ème exemple) » plus haut dans ce chapitre dans lequel <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> doit être remplacée par <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})</math>.</ref> dans le référentiel <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « }}<math>\big\{</math>avec <math>\,U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> la position d'équilibre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « <math>\color{transparent}{\big\{}</math>avec <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2}\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence }}du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}on en déduit la puissance mécanique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;\dot{E}_m(t) = J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + 2\;C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]\,\dot{\theta}(t)\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}la puissance du couple de frottement fluide linéaire <math>\,\big(</math>seules forces extérieures non conservatives travaillant de moment scalaire par rapport à l'axe de rotation du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion la puissance du couple de frottement fluide linéaire <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>}}<math>\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion" />, <math>\,H\,</math> étant une constante positive <ref> Exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frottent les ailettes.</ref><math>\big)\,</math> <br>{{Al|6}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion la puissance du couple de frottement fluide linéaire }}agissant sur les ailettes du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étant «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] (remarque : actions extérieures exercées sur l'ensemble “ tige et ailettes ”) » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}le théorème de la puissance mécanique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» ou <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» ou encore, <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + 2\;C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]\,\dot{\theta}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}après simplication par <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> non identiquement nulle <ref name="hors position d'équilibre" /> et normalisation <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <ref> Identique à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Identique }}à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] (2^ème exemple où les masselottes sont remplacées par des ailettes) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <center>«<math>\;\ddot{\theta}(t) + + \dfrac{H}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta_1\;</math>».</center> ==== Cas particulier du pendule pesant à un degré de liberté amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] à un degré de liberté dont le schéma est dans un « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|paragraphe plus haut dans le chapitre]] » dans lequel <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}des frottements fluides linéaires agissent sur le [[w:Pendule_pesant|pendule]] comme présentées dans le schéma de la « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|remarque du paragraphe précité]] », <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}l'énergie mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frotemment]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> dans le référentiel <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté l'énergie mécanique du P.P.A. étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « }}<math>\big\{</math>avec <math>\,U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\,</math> l'énergie potentielle de pesanteur <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté l'énergie mécanique du P.P.A. étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « <math>\color{transparent}{\big\{}</math>}}la position d'équilibre stable du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> <math>\,\theta_{\text{équi. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P."/><math>\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}on en déduit la puissance mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." />, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;\dot{E}_m(t) = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \sin\! \left[ \theta(t) \right]\,\dot{\theta}(t)\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}la puissance des forces de frottement fluide linéaire <math>\,\big(</math>seules forces extérieures non conservatives travaillant de moment scalaire par rapport à l'axe de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté la puissance des forces de frottement fluide linéaire <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>}}rotation du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] <math>\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_O}(t) = -H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="moment scalaire des forces de frottement fluide sur pendule pesant"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <math>\,H\,</math> étant une constante positive <ref> Exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]], de la forme de celui-ci par rapport à l'axe et du fluide sur lequel il frotte.</ref><math>\big)\,</math> <br>{{Al|6}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté la puissance des forces de frottement fluide linéaire }}agissant sur le [[w:Pendule_pesant|pendule]] étant «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_O}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (remarque : actions extérieures exercées sur le solide du pendule) » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» ou <br>{{Al|20}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» ou encore, <br>{{Al|20}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \sin\! \left[ \theta(t) \right]\,\dot{\theta}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou <br>{{Al|20}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}après simplication par <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> non identiquement nulle <ref name="hors position d'équilibre" /> et normalisation <br>{{Al|20}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] amorti <ref> Identique à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Identique }}à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (remarque établissement de l'équation différentielle du P.P.A.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|20}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + + \dfrac{H}{J_{\Delta_O}}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>». == Notes et références == <references /> {{Bas de page | idfaculté = physique | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie|Approche énergét. du mouv. d'un sol. en rotat. autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels|Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels]] }} ius2oekx6l1qiixcwps4m7o2dusmjbt 987970 987969 2026-11-01T10:14:55Z Phl7605 31541 /* Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique */ 987970 wikitext text/x-wiki {{Chapitre | idfaculté = physique | numéro = 12 | niveau = 14 | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie/]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels/]] }} <center>Ce chapitre est traité dans le cadre de la dynamique newtonienne avec ajout de quelques éléments de dynamique relativiste.</center> == Théorème de l'énergie cinétique d’un système de matière, cas d’un solide en rotation autour d’un axe fixe == {{Al|5}}Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}est évidemment à connaître comme forme intégrée de la forme locale <ref name="forme intégrée de forme locale"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Lois_de_la_puissance_et_de_l'énergie_cinétiques#Différence_entre_«_forme_locale_de_la_dynamique_»_et_«_forme_intégrée_associée_à_cette_forme_locale_»|différence entre forme locale de la dynamique et forme intégrée associée à cette forme locale]] » du chap.<math>15</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> « théorème de la puissance <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}cinétique d'un système de matière » laquelle est inscrite explicitement dans le programme <math>\;\ldots</math> === Définition du travail du système des forces extérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque"> Par « système de matière quelconque » il faut entendre « système fermé discret de points matériels ou continu de matière » « déformable ou non ».</ref> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1"> A priori <math>\,N\,</math> pourrait être égal à <math>\,1\,</math> mais ce ne serait plus un système de points matériels mais un simple point matériel.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes"> C.-à-d. l’ensemble des paramètres de position et de vitesse de tous les points à l'instant de définition de l'état, tous ces paramètres permettant d’y décrire le système.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> entre }}l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Expression_du_travail_élémentaire_de_la_force_dont_le_point_d’application_subit_le_vecteur_déplacement_élémentaire_correspondant_à_la_durée_élémentaire_de_développement_de_sa_puissance|expression du travail élémentaire de la force dont le point d'application subit le vecteur déplacement élémentaire correspondant à la durée élémentaire de développement de sa puissance]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - bis"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="infiniment proches"> Instants infiniment proches.</ref>, son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité volumique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance volumique <math>\,\mathcal{P}_{\text{vol},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t)</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité surfacique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance surfacique <math>\,\mathcal{P}_{\text{surf},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} =</math> <math>\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) =</math>}} <math>\sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité linéique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance linéique <math>\,\mathcal{P}_{\text{lin},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right] dt\;</math>».</ref>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« chaque point <math>\,\color{transparent}{M_i}\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> entre «<math>\;\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\;</math>» }}son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\,</math> étant aussi tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces extérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces extérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" />. === Définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est également présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2"> Pour l'existence de forces intérieures appliquées à un système, <math>\,N\,</math> doit être évidemment <math>\,\geqslant\,</math> à <math>\,2</math>.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes" /> et l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" /> sachant que <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir }}le système des forces intérieures s'exerçant sur le système discret fermé de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le système des forces intérieures }}est défini comme « l'ensemble des forces <math>\,\vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t)\,</math> que chaque point <math>\,M_j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, exerce sur chaque point <math>\,M_i,\;\;i \neq j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math>» <ref name="système de forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Forces,_principe_des_actions_réciproques#Système_des_forces_intérieures_s’exerçant_sur_un_système_de_points_matériels_fermé|système des forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math> entre les instants <math>\;t\;</math> et <math>\;t + dt\;</math> selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i} \right]\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - ter"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> dans lequel, chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \mu(M')\;d \mathcal{V}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bivolumique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}}{d \mathcal{V}_{M'}\;d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \sigma(M')\;d S_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\;</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bisurfacique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}}{d S_{M'}\;d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \lambda(M')\;d \mathit{l}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\;\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bilinéique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}}{d \mathit{l}_{M'}\;d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace dt\;</math>».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces intérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces intérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière" />. {{Al|5}}<u>Remarque 1</u> : Le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures }}peut aussi être défini à partir de la puissance instantanée développée par les forces intérieures s’exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="définition de la puissance développée par les forces intérieures"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Définition_2|définition]] (de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures peut aussi être défini }}selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - tetra"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : }}le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}s'obtenant en ajoutant tous les travaux élémentaires de <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}peut se calculer à partir de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> peut se calculer }}par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>». {{Al|5}}<u>Remarque 2</u> : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math><ref name="définition du référentiel Rj"> Le référentiel «<math>\;\mathcal{R}_j\;</math>» est le référentiel lié à <math>\,M_j\,</math> en translation par rapport au référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#cite_note-puissance_des_forces_intérieures_s'exerçant_sur_système_continu_de_matière_-_ter-55|⁵⁵]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> dans le référentiel <math>\,\color{transparent}{\mathcal{R}}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}_{\text{int}}(t)}</math> }}<math>= \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Autres_expressions_équivalentes|autres expressions équivalentes]] de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj"> Le point <math>\,M_i\,</math> décrivant dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_j</math> <math>\,\big[</math>lié à <math>\,M_j\,</math> et en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\big]\,</math> une trajectoire particulière <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}\;</math> entre les deux instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t)\big]\,</math> étant tangent à <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}</math>.</ref> ou <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures «}}<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right]\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : }}de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière" />{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" />{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" />. {{Al|5}}<u>Remarque 3</u> : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nulle <ref name="puissance des forces intérieures en général non nulle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (1^ère conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu"> Système discret de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique"> Le système se comporte donc comme un solide au sens de la mécanique.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures nulle pour un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (3^ème conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = 0\;\;\forall\;t\,</math> pour <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = 0\;\;\forall\;\left[ t\,,\,t + dt \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> le devient }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = 0\;\;\forall\;\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> ». === Théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Partant du théorème de la puissance cinétique appliqué, à l'instant <math>\,t</math>, à un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Énoncé|énoncé]] du théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> dans lequel <math>\,\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math> est la puissance cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{ext}}(t)\,</math> la puissance développée par les forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\,</math> celle développée par les forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la même date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on multiplie par <math>\,dt\,</math> pour obtenir la forme élémentaire du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir la forme élémentaire }}entre «<math>\;t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\;</math>» où <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> est la variation élémentaire d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{ext}}\,</math> le travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{int}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur le même <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on intègre entre <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique }}entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec <math>\,\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\,</math> variation d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\,</math> }}sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> le travail des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> le travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> celui des forces intérieures }}sur le même <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>. {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> étant nul quel que soit le mouvement du système » <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Définition_du_travail_du_système_des_forces_intérieures_appliquées_à_un_«_système_de_matière_»_entre_un_état_initial_et_un_état_final|définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un système de matière entre un état initial et un état final]] (remarque 3) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul }}<math>\Rightarrow</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide sous sa forme élémentaire ou <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide }}sur une durée finie : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière en translation » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière"> Système fermé discret fermé de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> en translation » <ref name="système en translation"> Un « système de matière en translation » ne se déformant pas peut aussi être qualifié de « solide » au sens de la mécanique.</ref>, tous les points ont le même vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> égal à celui du C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> <math>\,G\,</math> du système, d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\!G}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <ref name="signification du travail élémentaire développé par les forces extérieures appliquées à un système en translation"> Dans cette 3^ème expression «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» est aussi « le travail élémentaire qui serait développé, sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\,t + dt \right],</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>, par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans <math>\,\mathcal{R}\;</math>» <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», ce dernier s'obtenant par application du théorème du mouvement du C.D.I. <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Principe_fondamental_de_la_dynamique_et_théorème_de_la_résultante_cinétique#Énoncé_du_théorème_(dynamique_newtonienne)|énoncé du théorème (dynamique newtonienne)]] du mouvement du C.D.I. d'un système » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> correspondant aussi à l'application de la r.f.d.n. <math>\,\big(</math>relation fondamentale de la dynamique newtonienne<math>\big)\,</math> au point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>» sur lequel s'exercerait la résultante dynamique<math>\big\}</math>.</ref> dans laquelle «<math>\;\vec{F}_{\text{ext}}(t)\;</math> est la résultante <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}«}}dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» <ref> Voir les paragraphes « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_en_translation_»|cas d'un système de matière en translation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » et « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissancce développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces intérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{int},\,\text{syst. en transl.}} = 0\;</math>» <ref name="système en translation" />{{,}} <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>de la variation élémentaire de l'énergie cinétique du système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en transl.}}\;</math>» avec «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="signification de l'énergie cinétique d'un système en translation"> Dans cette 2^ème expression «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» est aussi « l'énergie cinétique newtonienne du point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans {{Nobr|<math>\,\mathcal{R}\,</math>»}} <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», tous les points du système en translation ayant même vitesse que le C.D.I. <math>\,G\big\}</math>.</ref> l'énergie cinétique <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, dans le cadre de la cinétique newtonienne <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en translation"> Voir le paragraphe « énergie cinétique dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Cas_d'un_système_en_translation|cas d'un système en translation]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique }}appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" />{{, }} <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque dans un référentiel galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> nous obtenons : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un référentiel <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière en translation <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> étant le C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> et <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =}</math> }}la résultante dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\,</math> ou <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste"> Applicable sous cette forme dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste.</ref> avec <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="système fermé de matière" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système en translation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =</math> <math>K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail effectué par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail effectué par la résultante dynamique }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <br>{{Al|208}}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Ce théorème <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais il doit bien sûr être connu <ref> Sans doute ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. car on considère usuellement un système de matière en translation comme un point matériel <math>\,\big(</math>le C.D.I. <math>\,G\,</math> du système<math>\big)\,</math> sur lequel s'exerce la résultante dynamique du système et, selon ce point de vue, le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un système de matière en translation n'est rien d'autre que le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un point matériel, lequel est, quant à lui, au programme <math>\;\ldots</math></ref>. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}<u>Préliminaire</u> : Un « système <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » peut, a priori, se déformer <ref name="système en rotation autour d'un axe"> Par exemple, en se dilatant, c.-à-d. que chaque point du système, en plus de sa rotation autour d'un axe fixe, s'éloigne radialement de cet axe <math>\,\big(</math>la vitesse d'éloignement pouvant être différente d'un point à un autre<math>\big)\,</math> mais dans ce cas il ne s'agit pas d'une rotation « pure » <math>\;\ldots</math> <br>{{Al|3}}Pour maintenir une même vitesse angulaire à un instant <math>\,t\,</math> pour tous les points d'un « système déformable », il faut que le mouvement orthoradial de chacun des points soit corrélé au mouvement radial correspondant, avec absence de mouvement axial, c.-à-d. que, pour deux points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> tels que la droite <math>\,M_iM_j\,</math> recoupe l'axe <math>\,\Delta\,</math> perpendiculairement en <math>\,H_{i,\,j}</math>, <math>\,\big[</math>les points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> ayant donc même abscisse angulaire <math>\,\theta_{i,\,j}(t)\big]\,</math> on ait <math>\,\dot{\theta}_{i,\,j}(t) = \overline{\Omega}(t)</math> <math>\,\big[</math>donc indépendant de <math>\,\left( i\,,\, j \right)\big]\,</math> pour tout instant <math>\,t\,</math> et pour tout couple <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> dont les éléments ont même abscisse angulaire, ces conditions étant très contraignantes sont quasiment jamais réalisées naturellement <math>\;\ldots</math></ref>, toutefois, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Préliminaire : un « système <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>fermé<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » }}il est, en pratique, indéformable et est alors qualifié de « solide » au sens de la mécanique ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Préliminaire : }}l’exposé ci-dessous s'applique à un système discret <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de points matériels ou un système continu <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}<u>Exposé</u> : Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière" /> indéformable, en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe <math>\,\Delta</math>, fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen », <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}tous les points ont le même vecteur rotation instantanée <math>\,\vec{\Omega}(t) = \overline{\Omega}(t)\;\vec{u}_{\Delta}\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\big[\vec{u}_{\Delta}\,</math> étant le vecteur unitaire orientant l'axe de rotation <math>\,\Delta\,</math> et <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\big[}</math>}}autour de cet axe de rotation <math>\,\Delta\big]\,</math> d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe"> Expression ne nécessitant pas que l'axe <math>\,\Delta\,</math> soit fixe, la fixité de l'axe dans un référentiel intervenant quand ce dernier est galiléen et quand on utilise l'un des théorèmes fondamentaux de la dynamique de rotation des systèmes <math>\,\big\{</math>par exemple le théorème de l'énergie cinétique établi dans ce paragraphe mais le traavail élémentaire déveeloppé par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» ne nécessite pas que <math>\,\Delta\,</math> soit fixe<math>\big\}</math>.</ref>{{,}} <ref name="travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur un système en rotation"> Voir le paragraphe « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> {{Nobr|«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)</math>}} <math>= \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;</math>» et le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\delta W\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right] = \mathcal{P}\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right]\;dt\;</math>» puis, en faisant la somme membre à membre de façon à définir le travail élémentaire du sytème des forces extérieures s'exerçant sur le système en rotation «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)\;dt\;</math>».</ref> où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> est le moment <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» ou, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>du travail élémentaire }}avec «<math>\;\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta\;</math>» dans lequel <math>\,\theta(t)\,</math> est l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, la réécriture <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>,«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>de la variation de l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}}\;</math>» avec, l'énergie cinétique, à l'instant <math>\,t</math>, de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le cadre de la cinétique newtonienne «<math>\;K_{\text{syst. en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en rotation autour d'un axe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d’un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d’un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> avec «<math>\;J_\Delta\,</math> le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}relativement à <math>\,\Delta\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe"> Voir la notion de moment d'inertie d'un système discret ou continu dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Application_à_un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe#Application_au_cas_d'un_«_système_fermé_de_matière_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe_«_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|application d'un système fermé de matière en rotation autour d'un axe Δ fixe quelconque dans un référentiel d'étuide galiléen]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> d'où, en cinétique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> appliqué à un solide <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_solide_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d'un système }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> avec «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» et «<math>\;\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <math>\,\overline{\Omega}(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}<math>= \dot{\theta}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> encore égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>avec <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> et <math>\,\theta(t)\,</math> l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" />, sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail du moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail du }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[\theta(t)\,</math> étant l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation est égale au travail du «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[\theta}\,</math> étant l'abscisse angulaire }}à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> étant le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = 2\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)}\;</math>» <math>\,\big[</math>}}<math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] <math>\,\big(</math>photographié ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_(non_amorti)|mise en équation différentielle du mouvement du pendule de torsion (non amorti)]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Théorème_de_la_puissance_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_autour_d'un_axe_Δ_fixe_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe dans un référentiel d'étude galiléen]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. {{Al|5}}Ci-contre le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec deux fils de torsion identiques de même constante de torsion «<math>\;C\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec }}positions de masselottes identiques <math>\,\big(</math>sauf pour la couleur<math>\big)\,</math> de part et d'autre du point <math>\,C\,</math><ref name="distinction entre point d'attache des fils sur la tige et constante de torsion des fils"> On accepte la même notation pour le point d'attache des deux fils sur la tige et la constante de torsion de ces derniers tant qu'il n'y a pas d'ambiguïté <math>\,\big(</math>ce qui ne devrait jamais arriver compte-tenu du fait que ces deux grandeurs sont de nature différente<math>\big)</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec positions de masselottes identiques }}<math>\,\big(C\,</math> point d’attache des deux fils de torsion sur la tige<math>\big)</math> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre <math>\,\big(</math>en absence de masselottes<math>\big)\,</math> diffère du « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] » de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici l'extrémité supérieure <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil de torsion supérieur est mobile au lieu d'être fixe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur étant dans les deux fixe et <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici la torsion initiale est fournie par rotation propre de <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> d'un angle «<math>\;2\,\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>repéré sur le cercle gradué lié à <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}</math>, position de référence du cercle gradué<math>\big)\,</math> <math>\Rightarrow</math> en pratique, après quelques oscillations, la tige <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}acquiert la position d'équilibre repérée par l'angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>voir vérification ci-dessous<math>\big)\,</math> alors que <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] la torsion initiale est fournie par rotation de la tige d'un angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>également repéré <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>dans le pendule du chap.7 }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}\big)</math>, la position d'équilibre de la tige étant repérée par l'angle nul ; {{Al|5}}<u>vérification de la position d'équilibre de la tige dans le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}orientant les deux fils de torsion du bas vers le haut, quand la tige acquiert la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion supérieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche"> Une hélice est « droite » si le point tourne sur la gauche <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique direct ou encore dans le sens antihoraire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée et <br>{{Al|31}}elle est « gauche » si le point tourne sur la droite <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique indirect ou encore dans le sens horaire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée <br>{{Al|3}}<math>\,\big[</math>revoir aussi la distinction « hélices gauche ou droite » dans le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Mouvement_de_particules_chargées_dans_des_champs_électrique_et_magnétique_:_Cas_particulier_d'un_champ_magnétostatique_uniforme#Nature_hélicoïdale_uniforme_du_mouvement_de_la_particule|nature hélicoïdale uniforme du mouvement de la particule]] » du chap.<math>24</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> d'un angle «<math>\;\theta_1 - 2\;\theta_1 = -\theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil"> L'angle de torsion du fil qui intervient dans le vecteur moment du couple de torsion est l'angle que fait l'extrémité mobile relativement à l'extrémité maintenue fixe même si cette extrémité est fixée avec torsion initiale comme c'est le cas pour le fil supérieur <math>\,\big\{</math>on peut vérifier que cette définition correspond bien au schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » car {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{A_0B_0}\;</math>»}} est lié à l'extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil supérieur et «<math>\;\overrightarrow{AB}\;</math>» à l’extrémité mobile <math>\,C\,</math> et il en est de même pour l'éventuel fil de torsion inférieur<math>\big\}</math>.</ref> par rapport à son extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion supérieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} = -C \left( -\theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion inférieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche" /> d’un angle «<math>\;\theta_1 - 0 = \theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil" /> par rapport à l’extrémité <math>\;O_{\text{inf}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion inférieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = -C \left( \theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = -C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur la tige vérifiant «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} + \vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = \vec{0}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur }}la tige est effectivement en équilibre dans cette position <math>\;\ldots</math> {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <math>\,\big\{</math>ensemble solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC"> L'axe <math>\,\Delta_C\,</math> est le support des fils de torsion.</ref> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemb}}le solide étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles"> Repérée par rapport à la position de l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemble solide étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des masselottes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des masselottes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des masselottes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur"> L'angle de torsion du fil supérieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 2\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation"> Il s'agit de l'application de la puissance instantanée développée par un système de forces extérieures sur un solide en rotation autour d'un axe fixe <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d'un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> quand le système de forces extérieures est équivalent à un couple <math>\,\big[</math>c.-à-d. un système dont la résultante est nulle et dont le moment résultant scalaire relativement à l'axe de rotation définit le moment scalaire du couple<math>\big]</math>.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur"> L'angle de torsion du fil inférieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 0 = \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cin%C3%A9tique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d'un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;</math> est le moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et masselottes » en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_C\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre"> Ce qui suppose que <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> est non identiquement nulle <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\theta(t)\,</math> n'est pas une constante c.-à-d. que le solide n'est pas à sa position d'équilibre.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à droite «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta_1\;</math>», équation différentielle linéaire <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants sans terme du 1^er ordre hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_non_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition non énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] », la présence d'un 2^nd membre constant signifiant que le paramètre caractérisant l'oscillateur dans l'espace n'est pas nul à l'équilibre.</ref> de rotation ; {{Al|5}}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Conséquence_«_le_pendule_de_torsion_(non_amorti)_est_un_oscillateur_harmonique_non_amorti_de_rotation_»|conséquence : le pendule de torsion (non amorti) est un oscillateur harmonique non amorti de rotation]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » ; [[File:Pendule de torsion amorti - vue de dessus.png|thumb|300px|Vue de dessus d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti par substitution d'ailettes planes aux masselottes fixées sur la tige <math>\,\big(</math>les fils de torsion supérieur et inférieur <math>\,\perp\,</math> au plan de la figure ne peuvent y être représentés<math>\big)</math>]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> du }}<math>\big(</math>voir vue de dessus partielle représentée ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre étant écarté initialement comme celui de début de paragraphe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, le pendule ci-contre étant écarté initialement }}la tige acquiert donc une position d'équilibre repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}l'ensemble « tige et ailettes » étant un solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC" /> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant }}le solide est, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant le solide est, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}les actions extérieures sont <math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des ailettes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{ailettte}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des ailettes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des ailettes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{ailette}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu dans lequel se déplace le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] exercent sur les ailettes, modélisées par un <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> }}couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Couple_de_frottement_fluide_linéaire_agissant_sur_le_pendule_par_l’intermédiaire_des_ailettes|couple de frottement fluide linéaire agissant sur le pendule par l'intermédiaire des ailettes]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple }}<math>\big[H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}et du fluide sur lequel frottent les ailettes<math>\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide la puissance instantanée }}selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\,</math> est le moment d'inertie du solide « tige + ailettes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et ailettes » en rotation autour de <math>\,\Delta_C\,</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t) - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t) - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1 - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étudié «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta_1\;</math>», équation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}différentielle linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique" /> de rotation ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Loi_horaire_de_position_angulaire_du_pendule_de_torsion_amorti|loi horaire de position angulaire du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ». == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule pesant non amorti à un degré de liberté - forces extérieures.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté <math>\,\big(</math>schématisé ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_non_amorti_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_du_moment_cinétique_scalaire|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant non amorti (à un degré de liberté) par application du théorème du moment cinétique scalaire]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />. {{Al|5}}Ci-contre schéma de face du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] idéale <ref name="liaison idéale"> C.-à-d. dans laquelle on peut négliger les frottements solides.</ref> du solide en rotation autour de l’axe horizontal <math>\,\Delta_O\;</math><ref name="liaison pivot du pendule"> Pour plus de détails voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Présentation_du_pendule_pesant_(non_amorti)_«_P.P.(N.A.)_»|présentation du pendule pesant (non amorti) P.P.(N.A.)]] (liaison pivot avec le point O) » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Non Amorti.</ref> à un degré de liberté ayant un mouvement de rotation imposé par la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] du solide avec l'axe <math>\,\Delta_O</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté }}son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,O</math>, d'axe <math>\,\Delta_O\,</math> orienté par le vecteur unitaire «<math>\;\vec{u}_{\Delta_O}\;</math>» et <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,\color{transparent}{O}</math>, }}de rayon «<math>\;\mathfrak{a}\;</math>» avec, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. }}<math>G\,</math> repéré par son abscisse angulaire «<math>\;\theta_G(t) = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\overrightarrow{OG}(t) \right\rbrace} = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\vec{u}_r(t) \right\rbrace}\;</math>» <ref name="noté theta"> Noté «<math>\;\theta(t)\;</math>» par la suite en absence d'ambiguïté.</ref> ; {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = \left[ \overrightarrow{OG}(t) \wedge m\;\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_O} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids"> Le moment vectoriel du poids par rapport à <math>\,O\,</math> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)\;</math>» a établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_liaison_sphérique_et_avec_les_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b),_établissement_de_la_nature_plane_du_mouvement_du_C.D.I._G_du_P.P.(N.A.)|dans le cas d'une liaison sphérique et avec les C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), établissement de la nature plane du mouvement du C.D.I. G du P.P.(N.A.)]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] », soit «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\varphi_G}(t)\;</math>» avec <math>\,\vec{u}_{\varphi_G}\,</math> s'identifiant à <math>\,\vec{u}_{\Delta_O}</math>. <br>{{Al|3}}On pouvait aussi déterminer directement le moment scalaire du poids, le schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_«_liaison_pivot_»_ou_d’une_«_liaison_sphérique_avec_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b)_»,_nouveau_repérage_adapté_à_la_nature_rotatoire_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_à_un_degré_de_liberté|dans le cas d'une liaison pivot ou d'une liaison sphérique avec C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), nouveau repérage adapté à la nature rotatoire du mouvement du P.P.(N.A.) à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » étant fait avec le paramètre de position angulaire <math>\,\theta > 0</math>, on observe que le poids tend à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,-\,</math> avec un bras de levier <math>\,\big(</math>distance orthogonale séparant l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du support de <math>\,m\;\vec{g}\big)\,</math> égal à <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où, dans le cas où <math>\,\theta\,</math> est <math>\,> 0</math>, {{Nobr|«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)</math>}} <math>= - \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>» <math>\,\Big\{</math>le résultat est indépendant du signe de <math>\,\theta\,</math> mais si le schéma était fait avec <math>\,\theta < 0</math>, on observerait que le poids tendrait à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,+\,</math> avec un bras de levier <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = + \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = m\;g\;\left[ -\mathfrak{a}\; \sin(\theta) \right] = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>», soit effectivement le même résultat <math>\,\big[</math>avec toutefois une possibilité d'erreur si on oubliait que <math>\,\theta < 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert = -\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\big]\Big\}</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_particulier_où_M_est_en_mouvement_circulaire_d'axe_Δ_et_de_vitesse_angulaire_instantanée_Ω(t)|cas particulier où M est en mouvement circulaire d'axe Δ et de vitesse angulaire instantanée Ω(t)]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> de la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I."> Conditions Initiales.</ref> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O"> On a établi dans la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#cite_note-réduction_à_deux_composantes_de_la_réaction_dans_ces_C.I.-18|¹⁸]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » que la réaction du point <math>\,O\,</math> dans l'hypothèse d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] sur le pendule lancé dans les C.I. <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\,</math> ou <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\,</math> s'écrirait <math>\,\vec{R}(t) =</math> <math>R_{\rho_G}(t)\;\vec{u}_{\rho_G}(t) + R_z(t)\;\vec{u}_z</math>, c.-à-d. que la réaction serait dans le plan vertical de lancement soit encore «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» ; <br>{{Al|3}}on établit de même <math>\,\big[</math>sans que cela ait été exposé dans le chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> que la réaction de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le pendule quels que soient les C.I. de lancement compatibles avec la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] s'écrit «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>».</ref> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul"> En effet la force étant <math>\,\perp\,</math> à l'axe par rapport auquel son moment scalaire est évalué est de bras de levier nul.</ref> auquel s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe"> Le couple étant de moment vectoriel <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta_O</math>.</ref> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée à la date <math>\,t\,</math> par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée développée à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|7}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}sans terme du 1^er ordre ; {{Al|5}}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique"> On appelle « [[w:Solution_de_forme_fermée|solution analytique]] » d'une équation différentielle, une expression mathématique <math>\,\big(</math>souvent dite « formule explicite »<math>\big)\,</math> pouvant s'obtenir par une combinaison d'opérations et de [[w:Fonction_de_référence|fonctions de référence]] <math>\,\big(</math>c.-à-d. fonctions affines, puissances, trigonométriques et exponentielles ainsi que leurs fonctions inverses sur un domaine de définition restreint pour lequel il y a bijection et même certaines solutions d'équations différentielles dites de référence<math>\big)</math>, les opérations étant l'addition, la soustraction, la multiplication, la division et l'extraction de racines.</ref> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’élongations_angulaires_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'élongations angulaires non petites]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il est nécessaire de procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="solution analytique dans le cas d'élongations petites"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Cas_particulier_des_«_petites_élongations_angulaires_»,_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_=_oscillateur_harmonique_(non_amorti)_approché_de_rotation,_période_des_«_petites_oscillations_»|cas particulier des petites élongations angulaires, pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) oscillateur harmonique (non amorti) approché de rotation, période des petites oscillations]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. [[File:Pendule pesant amorti à un degré de liberté - forces extérieures - bis.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures, <math>\,I\,</math> étant le point où la résultante des forces de frottement fluide peut être appliquée]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti <math>\,\big(</math>voir coupe partielle représentée ci-contre<math>\big)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire" /> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I." /> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O" /> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul" /> où s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe" /> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu où se déplace le [[w:Pendule_pesant|pendule]] exercent sur ce dernier, de vecteur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}moment en <math>\,O</math> <math>\,\overrightarrow{\mathcal{M}}_{O,\,\text{flu}}(t)</math>, de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\Delta_O,\,\text{flui.}}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti" />{{,}} <ref name="définition de H"> <math>\,H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]], de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frotte le solide.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}la puissance instantanée développée par le moment de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}}_{O,\,\text{flu}}(t) \right] = \mathcal{M}_{\Delta_O,\,\text{flui.}}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Amorti.</ref> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0 - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right] - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_O}}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}avec terme linéaire du 1^er ordre ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique" /> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’amplitudes_initiales_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'amplitudes initiales non petites]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il faut procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique - bis"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » nécessitant néanmoins d'ajouter le terme d'amortissement <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A." />. == « En complément », caractère conservatif du couple de torsion, énergie potentielle de torsion et conservation de l’énergie mécanique du pendule de torsion (non amorti) dans le champ de torsion du fil == {{Al|5}}Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » ne sont pas explicités dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » }}il me semble souhaitable de le retenir <math>\,\big(</math>et bien sûr d’être capable de le retrouver<math>\big)</math>. === Caractère conservatif du couple de torsion === {{Al|5}}Le travail élémentaire d’un couple de torsion s’exerçant sur un solide, de vecteur moment «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t) = -C\;\alpha(t)\;\vec{u}_\Delta\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Expression_du_vecteur_moment_du_couple_de_torsion_exercé_par_le_fil_en_fonction_de_l'angle_de_torsion_«_α(t)_»,_notion_de_constante_de_torsion_«_C_»_du_fil_de_torsion|expression du vecteur moment du couple de torsion exercé par le fil de torsion α(t), notion de constante de torsion C du fil de torsion]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> lors d’une torsion élémentaire «<math>\;d \alpha\;</math>» <ref name="définition de Delta et alpha sur le fil de torsion"> <math>\,\Delta\,</math> étant la direction du fil de torsion orienté par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et «<math>\;\alpha\;</math>» l'angle de torsion algébrisé, défini au niveau de la liaison au solide dans le plan <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta\,</math> et orienté par <math>\,\vec{u}_\Delta</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion }}étant défini selon «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>», <math>\,\big[\overline{\Omega}(t)\,</math> étant la vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt}\;</math>», <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \alpha\;</math>»<math>\big]\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> soit finalement <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon }}«<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -C\;\alpha\; d \alpha\;</math>» correspondant à une différentielle de fonction <math>\Rightarrow</math> le <u>caractère conservatif du couple de torsion</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple"> Pour montrer qu’une force est conservative, on évalue son travail élémentaire en prenant un vecteur déplacement élémentaire quelconque <math>\,\overrightarrow{dM}\,</math> à partir du point d'application <math>\,M\,</math> de la force <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#2ème_définition_(équivalente)_d'une_force_«_conservative_»|2^ème définition (équivalente) d'une force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> ; <br>{{Al|3}}lorsqu'il s’agit d'un couple de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, il faut évaluer son travail élémentaire en envisageant une rotation élémentaire quelconque autour de n'importe quelle direction, le couple est alors conservatif si ce travail élémentaire est une différentielle de fonction mais <br>{{Al|3}}{{Transparent|lorsqu'il s'agit d'un couple }}dans le cas d’un couple de torsion de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, la seule direction autour de laquelle peut s’effectuer une rotation élémentaire est celle du fil c.-à-d. celle de <math>\,\vec{\Gamma}\,</math> et par suite la seule condition pour que le couple de torsion soit conservatif est que son travail élémentaire en considérant une rotation élémentaire autour de la direction du fil de torsion soit une différentielle de fonction ou encore que « le moment scalaire du couple de torsion par rapport au fil ne dépende que de l'angle de torsion <math>\,\alpha\;</math>» C.Q.E.R. <math>\,\big(</math>Ce Qui Est Réalisé<math>\big)</math>.</ref>. === Énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion === {{Al|5}}L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,U_{\text{tors}}\,</math> dont « dérive » le couple de torsion de vecteur moment <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}est définie par «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#1ère_définition_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|1^ère définition de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> c.-à-d. «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(\alpha)\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\,</math> ou <math>\,-C\;\alpha\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <math>\Leftrightarrow</math> «<math>\;\dfrac{dU_{\text{tors}}}{d \alpha} = C\;\alpha\;</math>» soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}en intégrant «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2 + cste\;</math>» ; choisissant la référence de l’énergie potentielle de torsion <math>\;U_{\text{tors}}(\alpha)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle"> C.-à-d. l'endroit où l'énergie potentielle est choisie nulle.</ref> <br>{{Al|7}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> en intégrant «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\alpha) = 2\; C\;\alpha^2 + cste}\;</math>» ; choisissant la référence }}quand le fil n’est pas tordu c.-à-d. <math>\,U_{\text{tors}}(0) = 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = 0</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}l'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d’un fil et sa conservation en absence de frottement === [[File:Pendule de torsion sans masselottes - actions exercées.png|thumb|500px|Schéma d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] représenté sans masselottes additives et avec fil inférieur sans torsion avec ajout des actions exercées sur la tige à l'instant <math>\;t</math>]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec un seul fil de torsion, l'autre fil étant sans torsion <math>\,\big(</math>voir schéma ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec un seul fil de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}la seule action extérieure de moment scalaire non nul par rapport à la direction <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}commune du fil de torsion et du fil sans torsion <math>\;\big(</math>orientée par le vecteur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> étant le couple « conservatif » de torsion <ref name="conservativité du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Caractère_conservatif_du_couple_de_torsion|caractère conservatif du couple de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}moment vectoriel «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}} = -C\;\alpha\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion /> auquel on associe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie potentielle de torsion du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre valant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;U_{\text{tors}}(t) =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion énergie potentielle de torsion }}<math>\,\dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_torsion_du_solide_relié_au_fil_de_torsion|énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}son énergie cinétique à la date <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{pend. tors.}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique }}<math>J_{CO_{\text{sup}}}\,</math> est le moment d'inertie du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] relativement à la <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique <math>\color{transparent}{J_{CO_{\text{sup}}}}\,</math> est }}direction du fil de torsion et du fil sans torsion <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à l'instant <math>\,t\,</math> selon «<math>\;E_m(t) = K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Propriétés_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|propriétés de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] (2^ème propriété) » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha_0 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\alpha(0) = \alpha_0\;</math> et <math>\,\dot{\alpha}(0) = 0\;</math>». [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]]]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige <math>\,\big(</math>voir photographie ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec deux fils de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}il y a deux actions extérieures s'exerçant sur le solide « tige + masselottes » de moment scalaire non nul par rapport à <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}la direction commune <math>\,\Delta_C\,</math> des deux fils de torsion <math>\,\big(</math>orientée par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}élémentaire du solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}prouve le <u>caractère conservatif du couple de torsion du fil supérieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}supérieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = -d U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta = -d U_{\text{tors. sup.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. sup.}}}{d \theta} = C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\,</math> qui s'intègre en <math>\,U_{\text{tors. sup.}}</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,= \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> et, en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. sup.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du solide à l'équilibre » c.-à-d. <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre"> Revoir l'explication rappelée dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans le chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil supérieur du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta_1 - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_1 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion"> Symboliquement l'énergie potentielle d'un solide dans le champ de torsion d'un fil de torsion s'obtient, à une constante additive près, par la moitié du produit de la constante de torsion du fil et du carré de l'angle de torsion, à l'instant <math>\;t</math>, du fil au point d'attache du solide.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation élémentaire du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\; \theta(t)\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et prouve le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<u>caractère conservatif du couple de torsion du fil inférieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}inférieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = -d U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\;\theta\;d \theta = -d U_{\text{tors. inf.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. inf.}}}{d \theta} = C\; \theta\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{tors. inf.}} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} + cste_2\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. inf.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position du solide à l'équilibre » c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil inférieur du solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2} + cste_2 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_2 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}finalement l'énergie potentielle globale de torsion du solide « tige + masselottes » <math>\,\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale }}s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = U_{\text{tors. sup.}}(\theta) + U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» ou, en simplifiant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale s'écrit }}«<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2\;</math>» <ref> En effet <math>\,\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + 2\;C\; \theta_1^{\,2} + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + C\; \theta_1^{\,2} = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2</math>.</ref>{{,}} <ref> Cette énergie potentielle de torsion du solide « tige + masselottes » est la même que celle que l'on obtiendrait avec un seul fil de torsion de constante de torsion <math>\,2\,C</math>, l'autre fil étant sans torsion avec la référence en la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>.</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule ci-dessus étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «<math>\;\color{transparent}{K_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#%Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torion par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique de l'ensemble tige + masselottes) » plus haut dans ce chapitre.</ref> avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule }}<math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion des deux fils définie, à l'instant <math>\,t\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie mécanique }}«<math>\;E_m(t) = K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}\! \left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\alpha\;</math>» dans le 1^er exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] ou <br>{{Al|57}}celui «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta - \theta_1 \right]^2 \,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du 2^ème exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|même]] paragraphe <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}étant parabolique, nous retrouvons la <u>2^ème définition d’un oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math>de rotation<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_(équivalente)_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition (équivalente) énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. <br>{{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> de son mouvement dans le 2^ème exemple du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}«<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2 = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>», <br>{{Al|58}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}les C.I. <ref name="C.I." /> étant «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}est donc une <u>ellipse décrite dans le sens horaire</u> <ref name="portrait de phase d'un socillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Tracé_du_portrait_de_phase_de_la_charge_du_condensateur_d'un_«_R_L_C_série_»_soumis_à_un_échelon_de_tension_suivant_le_cœfficient_d'amortissement|propriétés des portraits de phase de la charge du condensateur d'un RLC série soumis à un échelon de tension suivant le cœfficient d'amortissement]] (cas d'un circuit oscillant non amorti en vert) » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. == Conservation de l’énergie mécanique du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) dans le champ de pesanteur uniforme == === Énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant === {{Al|5}}Dans le cas d'un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref><math>\big)</math>, le poids du solide étant la seule action extérieure travaillant et ce dernier étant conservatif <ref name="poids d'un objet conservatif"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Établissement_du_caractère_«_conservatif_»_du_poids_d'un_point_matériel_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|établissement du caractère conservatif du poids d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, }}on lui associe l'énergie potentielle de pesanteur «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta)\;</math>» <ref name="énergie potentielle de pesanteur"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#«_Énergie_potentielle_de_pesanteur_d'un_point_matériel_»_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|énergie potentielle de pesanteur d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> déterminée en intégrant «<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = -dU_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> avec <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)\,</math> travail élémentaire du poids lors d'une rotation élémentaire d'angle <math>\,d \theta = \dot{\theta}(t)\;dt\,</math> autour de <math>\,\Delta_O\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe «<math>\;\color{transparent}{\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)}\,</math>}}<math>= \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;dt = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)\;dt = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;d \theta\;</math>» <ref name="travail élémentaire du poids du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (actions extérieures exercées sur le solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> d'où <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}<math>\,-dU_{\text{pes}} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\;d \theta\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{pes}}}{d \theta}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\,</math> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right) + cste\;</math>» <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}soit, en choisissant comme référence de l'énergie potentielle <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> « la position <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}d'équilibre stable de ce dernier <ref name="équilibre stable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessous de ce dernier.</ref> <math>\,\theta_{\text{éq. stable}} = 0\;</math>» d'où <math>\,U_{\text{pes}}(0) = 0\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}<math>\Rightarrow</math> <math>\,0 = -m\;g\;\mathfrak{a} + cste\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = m\;g\;\mathfrak{a}\,</math> d'où l'expression de <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}l'énergie potentielle de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> se réécrit selon <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta \right) \right]\;</math>» <ref> Pour trouver l'expression de l'énergie potentielle de pesanteur on peut aussi utiliser <math>\,\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = m\;g\;dz_G = -dU_{\text{pes}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{pes}} = -m\;g\;z_G + cste\,</math> sachant que <math>\,z_G = \mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right)\,</math> avec pour position d'équilibre stable <math>\,z_{G,\,\text{éq. stable}} = \mathfrak{a}</math> <math>\;\ldots</math></ref> <math>\,\big(</math>référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : la position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement === {{Al|5}}Considérant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A." /><math>\big)</math>, l'énergie potentielle de pesanteur étant «<math>\;U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right] = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\,</math> avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> <math>\,\theta_{\text{équi. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P."/> » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> et <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie cinétique du solide constituant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique du solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> dans laquelle <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie cinétique}}«<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du solide par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie mécanique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> dans le champ de pesanteur «<math>\;E_m\!(t) = K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) + U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right]</math> <br>{{Al|23}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie mécanique du P.P.N.A. dans le champ de pesanteur «<math>\;\color{transparent}{E_m\!(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{P.P.N.A.}}(t) + U_{\text{pes}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P..P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\,\left[ 1 - \cos(\theta) \right]\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}n'étant pas parabolique <math>\,\big(</math>mais sinusoïdal<math>\big)</math>, nous pouvons affirmer que <u>le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> n'est pas un oscillateur harmonique</u> <math>\,\big(</math>quand il est en situation d'osciller<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <math>\blacktriangleright\;</math>« oscillatoire pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'énergie mécanique initiale du P.P.N.A. vaut «<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^2 + m\;g\; \mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta_0 \right) \right]\;</math>».</ref> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. est }}<math>\blacktriangleright\;</math>« révolutive pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="étude du mouvement d'un P.P.N.A. par diagramme d'énergies"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Étude_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_dans_le_cas_général_des_élongations_angulaires_non_petites_par_diagramme_énergétique|étude du mouvement du P.P.(N.A.) dans le cas général des élongations angulaires non petites par diagramme énergétique]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}de démontrer, avec utilisation simultanée de l'intégrale 1^ère énergétique <ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'intégrale 1^ère énergétique du P.P.N.A. s'écrit «<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^{\,2} + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet de démontrer, }}la nature « périodique <math>\,\big(</math>oscillatoire ou révolutive<math>\big)\;</math>» ainsi que <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}d’établir l’expression de la période sous forme intégrale <math>\ldots</math> {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Les [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d’un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ayant pour équation implicite l’intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\;</math><ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" /> de son mouvement lequel dépend de la valeur de l'énergie mécanique initiale <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />, <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. }}diffèrent suivant <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="différents portraits de phase d'un P.P.N.A."> Voir les paragraphes « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Tracé_des_portraits_de_phase_dans_le_cas_général_«_d'oscillations_ou_de_mouvement_révolutif_»_d'un_P.P.S._lancé_dans_les_C.I._«_1b_U_1a_»|tracé des portraits de phase dans le cas général d'oscillations ou de mouvement révolutif d'un P.P.S. lancé dans les C.I. 1b U 1a]] » du chap.<math>12</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\,\big(</math>l'allure des [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti étant la même que ceux d'un [[w:Pendule_simple|pendule simple]] non amorti<math>\big)\,</math> et « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Différents_portraits_de_phase_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté),_«_bifurcation_»_entre_mouvement_«_pendulaire_»_et_révolutif|différents portraits de phase du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté), bifurcation entre mouvement pendulaire et révolutif]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>pendulaire</u> <ref name="pendulaire"> Adjectif synonyme d'« oscillatoire ».</ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>fermé</u>, décrit dans le « <u>sens horaire</u> » <ref name="justification du sens horaire"> Ou « trigonométrique indirect », en effet « quand <math>\,\dot{\theta}\,</math> est <math>\,> 0</math>, <math>\,\theta \nearrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \nearrow\,</math> puis <math>\,\searrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule » ensuite «<math>\;\dot{\theta}\,</math> est <math>\,< 0</math>, correspondant à <math>\,\theta \searrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \searrow\,</math> puis <math>\,\nearrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule de nouveau » <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}avec le point «<math>\;\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)\;</math>» comme « <u>centre de </u>{{Nobr|<u>symétrie</u> » <ref name="justification du centre de symétrie"> Invariance de l’équation en changeant «<math>\;\theta\,</math> en <math>\,-\theta\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des vitesses angulaires <math>\,\big(</math>en fait antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>» et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Invariance de l’équation }}en changeant «<math>\;\dot{\theta}\,</math> en <math>\,-\dot{\theta}\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des abscisses angulaires <math>\,\big(</math>là encore c'est une antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|3}}l’association des deux symétries axiales <math>\,\big(</math>ou plutôt des deux antisymétries axiales<math>\big)\,</math> donnant un centre de symétrie pour l'intersection des deux axes <math>\,\big[</math>le point d'intersection des deux axes étant réellement une symétrie centrale <math>\,\big(</math>et non une antisymétrie centrale<math>\big)</math>.</ref>}} <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, avec le point «<math>\;\color{transparent}{\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)}\;</math>» }}correspondant à la position d’équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /> du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ; <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> }}<math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>révolutif</u>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>ouvert</u>, constitué de la <u>répétition du motif de l'intervalle</u><math>\;\left] -\pi\, , \, \pi \right]</math>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase }}répété <math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \nearrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} > 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 > 0\;</math>» ou <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase répété }}<math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \searrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} < 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 < 0\;</math>», <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)\;</math>» et celui avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,-\dot{\theta}_0 > 0 \right)\;</math>» <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, le portrait de phase avec C.I. «<math>\;\color{transparent}{\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)}\;</math>» }}étant <u>antisymétriques</u> l'un de l'autre, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>maxima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre stable</u> <ref name="équilibre stable du P.P." /> «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres stables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» ;<br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}\;</math>»<math>\big)\;</math> alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big)</math>.</ref> et <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>minima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre instable</u> <ref name="équilibre instable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessus de ce dernier.</ref> «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;</math> <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, les minima de<math>\;\color{transparent}{\vert \dot{\theta} \vert}\;</math>obtenus pour les positions d’équilibre instable «<math>\;\color{transparent}{\theta_{\text{éq. inst.}} =}</math> }}<math>\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres instables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = -\left( 2\;p' + 1 \right)\, \pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big[</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big]\;</math>.</ref>. == « Généralisation » à tout « solide » : « théorème de la variation de l’énergie mécanique » et la forme locale associée « le théorème de la puissance mécanique », application au cas d’un solide amorti == {{Al|5}}Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à la généralisation à tout système de points matériels ou continu de matière « indéformable » <ref name="solide au sens de la mécanique" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à }}la généralisation aux systèmes de points matériels ou continus de matière « déformables » sera faite dans le chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Lois_de_l'énergie_cinétique_pour_un_système_déformable_de_points_matériels#«_En_complément_»,_théorème_de_la_variation_de_l’énergie_mécanique_appliqué_à_un_système_de_matière_déformable_dans_le_champ_des_forces_extérieures_et_intérieures_conservatives_et_sa_forme_locale_«_le_théorème_de_la_puissance_mécanique_»|en complément : théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un système de matière déformable dans le champ des forces extérieures et intérieures conservatives et sa forme locale le théorème de la puissance mécanique]] » du chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. === Théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s’écrivant «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\bullet\;</math>celles qui sont conservatives <math>\,\big(</math>lesquelles « dérivent » d’une énergie potentielle<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{ransparent}{\bullet}\;</math>}}dont le travail pendant cette durée finie est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées }}<math>\bullet\;</math>celles qui sont non conservatives <ref name="non conservatives"> Ou, si elles sont conservatives, dont on ne considère pas le caractère « conservatif ».</ref> dont le travail pendant cette durée finie <br>{{Al|12}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>celles qui sont non conservatives dont }}est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}d'où «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou, avec «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, }}<math>\big(U_{\text{ext}}\,</math> étant l'énergie potentielle dont dérivent les forces conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, <math>\color{ransparent}{\big(}</math>}}définie à une constante additive près précisée par choix de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}<math>\Rightarrow</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» d’où la réécriture du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « solide <math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\left( \mathcal{S} \right)} + U_{\text{ext}} \right] = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» où on reconnaît dans le 1^er membre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}la variation de l’énergie mécanique «<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t) + U_{\text{ext}}\!(t)\;</math>» du solide «<math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le champ des forces conservatives sur la durée <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> dans le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où dans le champ des forces conservatives }}référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen d'où, finalement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}le lien entre la variation de l'énergie mécanique du « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;\Delta E_m = E_{m,\,\mathcal{F}} - E_{m,\,\mathcal{I}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» le lien }}le travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> sur cette même durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}«<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» applicable à un solide dans un référentiel d’étude galiléen, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}l'énoncé du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie dans un référentiel galiléen <ref> Ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. sous la forme où il existe des forces extérieures non conservatives dissipatives mais, comme le cas où toutes les forces extérieures travaillant sont conservatives est clairement explicité <math>\,\big(</math>sous la forme de la conservation de l’énergie mécanique du solide<math>\big)</math>, le cas où il existe des forces extérieures travaillant et non conservatives <math>\,\big(</math>comme des forces de frottement<math>\big)\,</math> s’appliquant à un solide peut difficilement être ignoré d'où l'ajout du théorème sous sa forme la plus générale <math>\;\ldots</math></ref>. : {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}<math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <math>\,K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation «<math>\;\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» }}égale au travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale au travail }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire dans un référentiel galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique }}se déduit aisément de sa forme sur une durée finie soit {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}conservatives <math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}<math>K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> <math>\color{transarent}{K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)}\,</math> l'énergie cinétique }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation élementaire«<math>\;d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t)\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» }}égale au travail élémentaire des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» égale au travail }}appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;d E_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide }}est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée finie ou élémentaire se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>». === Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de la puissance mécanique est la forme locale associée à la forme intégrée <ref name="forme intégrée de forme locale" /> “ théorème de la variation de l'énergie mécanique sur une durée finie ou élémentaire ” ; {{Al|5}}pour obtenir cette forme locale on écrit le théorème de la variation de l’énergie mécanique d’un solide dans le champ des forces extérieures conservatives entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math><ref> C.-à-d. la forme élémentaire du théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un solide.</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on écrit }}«<math>\;dE_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\,</math> dans un référentiel galiléen » puis, <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on divise les deux membres par <math>\,dt\,</math> soit «<math>\;\dfrac{dE_m}{dt} = \dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{dE_m}{dt}\;</math>» est la dérivée temporelle de l’énergie mécanique du solide dans le champ des forces extérieures conservatives définissant <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}la puissance mécanique du solide à l'instant <math>\,t\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives, notée «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» la puissance instantanée développée, à l'instant <math>\,t</math>, par les forces extérieures non conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}appliquées au solide notée «<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on obtient «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» d'où l'énoncé du théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen : {{Théorème|titre=Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide »|contenu = {{Al|5}}La puissance mécanique à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> <math>\big[</math>avec, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie mécanique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{ext}}(t)}\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces }}conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math>» l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique }}est égale à la puissance instantanée développée par les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique est égale à }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> au même instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide à un instant <math>\,t\,</math> quelconque se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}c.-à-d., après intégration, « la conservation de l’énergie mécanique du solide précédemment défini ». === Application au cas d’un solide amorti === {{Al|5}}Parmi les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées à un solide et travaillant, « les plus fréquentes sont dissipatives » <ref> Mais elles peuvent aussi être motrices par exemple, si nous souhaitons que les oscillations d’un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ou d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] perdurent alors qu’existent naturellement des frottements {{Nobr|<math>\,\big(</math>même}} minimes<math>\big)</math>, il est nécessaire de les entretenir à l’aide d’une force extérieure motrice compensant les forces de frottement, cette force motrice étant alors usuellement non conservative tout comme le sont les forces de frottement.</ref> comme les forces de frottement fluide <math>\,\big(</math>ou solide<math>\big)</math> ; {{Al|5}}si les seules forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> travaillant sont des forces de frottement s'exerçant sur un solide en mouvement dans un référentiel galiléen, <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces }}conservatives <ref name="théorème de la puissance mécanique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_la_puissance_mécanique_appliqué_à_un_«_solide_»|théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}s’écrivant «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{frott}}\!(t) < 0\;</math>» dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}l'énergie mécanique de ce solide «<math>\;E_m(t) \searrow\,</math> au sens strict » avec <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}</math> <math>\big(</math>il est qualifié d'« amorti »<math>\big)</math>. ==== Cas particulier du pendule de torsion amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] dont la photographie est dans un « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|paragraphe plus haut dans ce chapitre]] » mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}avec les masselottes remplacées par des ailettes comme présenté dans le schéma de vue de dessus de la « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|remarque du paragraphe précité]] », <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d'un fil et sa conservation en absence de frotemment]] (2^ème exemple) » plus haut dans ce chapitre dans lequel <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> doit être remplacée par <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})</math>.</ref> dans le référentiel <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « }}<math>\big\{</math>avec <math>\,U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> la position d'équilibre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « <math>\color{transparent}{\big\{}</math>avec <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2}\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence }}du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}on en déduit la puissance mécanique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;\dot{E}_m(t) = J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + 2\;C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]\,\dot{\theta}(t)\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}la puissance du couple de frottement fluide linéaire <math>\,\big(</math>seules forces extérieures non conservatives travaillant de moment scalaire par rapport à l'axe de rotation du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion la puissance du couple de frottement fluide linéaire <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>}}<math>\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion" />, <math>\,H\,</math> étant une constante positive <ref> Exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frottent les ailettes.</ref><math>\big)\,</math> <br>{{Al|6}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion la puissance du couple de frottement fluide linéaire }}agissant sur les ailettes du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étant «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] (remarque : actions extérieures exercées sur l'ensemble “ tige et ailettes ”) » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}le théorème de la puissance mécanique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» ou <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» ou encore, <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + 2\;C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]\,\dot{\theta}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}après simplication par <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> non identiquement nulle <ref name="hors position d'équilibre" /> et normalisation <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <ref> Identique à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Identique }}à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] (2^ème exemple où les masselottes sont remplacées par des ailettes) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <center>«<math>\;\ddot{\theta}(t) + + \dfrac{H}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta_1\;</math>».</center> ==== Cas particulier du pendule pesant à un degré de liberté amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] à un degré de liberté dont le schéma est dans un « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|paragraphe plus haut dans le chapitre]] » dans lequel <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}des frottements fluides linéaires agissent sur le [[w:Pendule_pesant|pendule]] comme présentées dans le schéma de la « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|remarque du paragraphe précité]] », <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}l'énergie mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frotemment]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> dans le référentiel <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté l'énergie mécanique du P.P.A. étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « }}<math>\big\{</math>avec <math>\,U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\,</math> l'énergie potentielle de pesanteur <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté l'énergie mécanique du P.P.A. étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « <math>\color{transparent}{\big\{}</math>}}la position d'équilibre stable du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> <math>\,\theta_{\text{équi. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P."/><math>\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}on en déduit la puissance mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." />, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;\dot{E}_m(t) = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \sin\! \left[ \theta(t) \right]\,\dot{\theta}(t)\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}la puissance des forces de frottement fluide linéaire <math>\,\big(</math>seules forces extérieures non conservatives travaillant de moment scalaire par rapport à l'axe de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté la puissance des forces de frottement fluide linéaire <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>}}rotation du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] <math>\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_O}(t) = -H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="moment scalaire des forces de frottement fluide sur pendule pesant"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <math>\,H\,</math> étant une constante positive <ref> Exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]], de la forme de celui-ci par rapport à l'axe et du fluide sur lequel il frotte.</ref><math>\big)\,</math> <br>{{Al|6}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté la puissance des forces de frottement fluide linéaire }}agissant sur le [[w:Pendule_pesant|pendule]] étant «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_O}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (remarque : actions extérieures exercées sur le solide du pendule) » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» ou <br>{{Al|20}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» ou encore, <br>{{Al|20}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \sin\! \left[ \theta(t) \right]\,\dot{\theta}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou <br>{{Al|20}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}après simplication par <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> non identiquement nulle <ref name="hors position d'équilibre" /> et normalisation <br>{{Al|20}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] amorti <ref> Identique à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Identique }}à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (remarque établissement de l'équation différentielle du P.P.A.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|20}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + + \dfrac{H}{J_{\Delta_O}}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>». == Notes et références == <references /> {{Bas de page | idfaculté = physique | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie|Approche énergét. du mouv. d'un sol. en rotat. autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels|Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels]] }} nlh7c908n2m0c9uvy957z38z2esii71 987971 987970 2026-11-01T10:18:12Z Phl7605 31541 /* Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique */ 987971 wikitext text/x-wiki {{Chapitre | idfaculté = physique | numéro = 12 | niveau = 14 | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie/]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels/]] }} <center>Ce chapitre est traité dans le cadre de la dynamique newtonienne avec ajout de quelques éléments de dynamique relativiste.</center> == Théorème de l'énergie cinétique d’un système de matière, cas d’un solide en rotation autour d’un axe fixe == {{Al|5}}Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}est évidemment à connaître comme forme intégrée de la forme locale <ref name="forme intégrée de forme locale"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Lois_de_la_puissance_et_de_l'énergie_cinétiques#Différence_entre_«_forme_locale_de_la_dynamique_»_et_«_forme_intégrée_associée_à_cette_forme_locale_»|différence entre forme locale de la dynamique et forme intégrée associée à cette forme locale]] » du chap.<math>15</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> « théorème de la puissance <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}cinétique d'un système de matière » laquelle est inscrite explicitement dans le programme <math>\;\ldots</math> === Définition du travail du système des forces extérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque"> Par « système de matière quelconque » il faut entendre « système fermé discret de points matériels ou continu de matière » « déformable ou non ».</ref> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1"> A priori <math>\,N\,</math> pourrait être égal à <math>\,1\,</math> mais ce ne serait plus un système de points matériels mais un simple point matériel.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes"> C.-à-d. l’ensemble des paramètres de position et de vitesse de tous les points à l'instant de définition de l'état, tous ces paramètres permettant d’y décrire le système.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> entre }}l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Expression_du_travail_élémentaire_de_la_force_dont_le_point_d’application_subit_le_vecteur_déplacement_élémentaire_correspondant_à_la_durée_élémentaire_de_développement_de_sa_puissance|expression du travail élémentaire de la force dont le point d'application subit le vecteur déplacement élémentaire correspondant à la durée élémentaire de développement de sa puissance]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - bis"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="infiniment proches"> Instants infiniment proches.</ref>, son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité volumique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance volumique <math>\,\mathcal{P}_{\text{vol},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t)</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité surfacique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance surfacique <math>\,\mathcal{P}_{\text{surf},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} =</math> <math>\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) =</math>}} <math>\sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité linéique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance linéique <math>\,\mathcal{P}_{\text{lin},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right] dt\;</math>».</ref>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« chaque point <math>\,\color{transparent}{M_i}\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> entre «<math>\;\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\;</math>» }}son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\,</math> étant aussi tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces extérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces extérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" />. === Définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est également présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2"> Pour l'existence de forces intérieures appliquées à un système, <math>\,N\,</math> doit être évidemment <math>\,\geqslant\,</math> à <math>\,2</math>.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes" /> et l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" /> sachant que <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir }}le système des forces intérieures s'exerçant sur le système discret fermé de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le système des forces intérieures }}est défini comme « l'ensemble des forces <math>\,\vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t)\,</math> que chaque point <math>\,M_j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, exerce sur chaque point <math>\,M_i,\;\;i \neq j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math>» <ref name="système de forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Forces,_principe_des_actions_réciproques#Système_des_forces_intérieures_s’exerçant_sur_un_système_de_points_matériels_fermé|système des forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math> entre les instants <math>\;t\;</math> et <math>\;t + dt\;</math> selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i} \right]\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - ter"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> dans lequel, chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \mu(M')\;d \mathcal{V}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bivolumique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}}{d \mathcal{V}_{M'}\;d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \sigma(M')\;d S_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\;</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bisurfacique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}}{d S_{M'}\;d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \lambda(M')\;d \mathit{l}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\;\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bilinéique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}}{d \mathit{l}_{M'}\;d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace dt\;</math>».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces intérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces intérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière" />. {{Al|5}}<u>Remarque 1</u> : Le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures }}peut aussi être défini à partir de la puissance instantanée développée par les forces intérieures s’exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="définition de la puissance développée par les forces intérieures"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Définition_2|définition]] (de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures peut aussi être défini }}selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - tetra"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : }}le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}s'obtenant en ajoutant tous les travaux élémentaires de <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}peut se calculer à partir de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> peut se calculer }}par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>». {{Al|5}}<u>Remarque 2</u> : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math><ref name="définition du référentiel Rj"> Le référentiel «<math>\;\mathcal{R}_j\;</math>» est le référentiel lié à <math>\,M_j\,</math> en translation par rapport au référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#cite_note-puissance_des_forces_intérieures_s'exerçant_sur_système_continu_de_matière_-_ter-55|⁵⁵]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> dans le référentiel <math>\,\color{transparent}{\mathcal{R}}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}_{\text{int}}(t)}</math> }}<math>= \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Autres_expressions_équivalentes|autres expressions équivalentes]] de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj"> Le point <math>\,M_i\,</math> décrivant dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_j</math> <math>\,\big[</math>lié à <math>\,M_j\,</math> et en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\big]\,</math> une trajectoire particulière <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}\;</math> entre les deux instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t)\big]\,</math> étant tangent à <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}</math>.</ref> ou <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures «}}<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right]\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : }}de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière" />{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" />{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" />. {{Al|5}}<u>Remarque 3</u> : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nulle <ref name="puissance des forces intérieures en général non nulle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (1^ère conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu"> Système discret de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique"> Le système se comporte donc comme un solide au sens de la mécanique.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures nulle pour un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (3^ème conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = 0\;\;\forall\;t\,</math> pour <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = 0\;\;\forall\;\left[ t\,,\,t + dt \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> le devient }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = 0\;\;\forall\;\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> ». === Théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Partant du théorème de la puissance cinétique appliqué, à l'instant <math>\,t</math>, à un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Énoncé|énoncé]] du théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> dans lequel <math>\,\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math> est la puissance cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{ext}}(t)\,</math> la puissance développée par les forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\,</math> celle développée par les forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la même date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on multiplie par <math>\,dt\,</math> pour obtenir la forme élémentaire du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir la forme élémentaire }}entre «<math>\;t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\;</math>» où <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> est la variation élémentaire d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{ext}}\,</math> le travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{int}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur le même <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on intègre entre <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique }}entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec <math>\,\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\,</math> variation d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\,</math> }}sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> le travail des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> le travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> celui des forces intérieures }}sur le même <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>. {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> étant nul quel que soit le mouvement du système » <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Définition_du_travail_du_système_des_forces_intérieures_appliquées_à_un_«_système_de_matière_»_entre_un_état_initial_et_un_état_final|définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un système de matière entre un état initial et un état final]] (remarque 3) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul }}<math>\Rightarrow</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide sous sa forme élémentaire ou <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide }}sur une durée finie : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière en translation » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière"> Système fermé discret fermé de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> en translation » <ref name="système en translation"> Un « système de matière en translation » ne se déformant pas peut aussi être qualifié de « solide » au sens de la mécanique.</ref>, tous les points ont le même vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> égal à celui du C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> <math>\,G\,</math> du système, d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\!G}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <ref name="signification du travail élémentaire développé par les forces extérieures appliquées à un système en translation"> Dans cette 3^ème expression «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» est aussi « le travail élémentaire qui serait développé, sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\,t + dt \right],</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>, par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans <math>\,\mathcal{R}\;</math>» <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», ce dernier s'obtenant par application du théorème du mouvement du C.D.I. <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Principe_fondamental_de_la_dynamique_et_théorème_de_la_résultante_cinétique#Énoncé_du_théorème_(dynamique_newtonienne)|énoncé du théorème (dynamique newtonienne)]] du mouvement du C.D.I. d'un système » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> correspondant aussi à l'application de la r.f.d.n. <math>\,\big(</math>relation fondamentale de la dynamique newtonienne<math>\big)\,</math> au point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>» sur lequel s'exercerait la résultante dynamique<math>\big\}</math>.</ref> dans laquelle «<math>\;\vec{F}_{\text{ext}}(t)\;</math> est la résultante <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}«}}dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» <ref> Voir les paragraphes « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_en_translation_»|cas d'un système de matière en translation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » et « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissancce développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces intérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{int},\,\text{syst. en transl.}} = 0\;</math>» <ref name="système en translation" />{{,}} <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>de la variation élémentaire de l'énergie cinétique du système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en transl.}}\;</math>» avec «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="signification de l'énergie cinétique d'un système en translation"> Dans cette 2^ème expression «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» est aussi « l'énergie cinétique newtonienne du point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans {{Nobr|<math>\,\mathcal{R}\,</math>»}} <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», tous les points du système en translation ayant même vitesse que le C.D.I. <math>\,G\big\}</math>.</ref> l'énergie cinétique <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, dans le cadre de la cinétique newtonienne <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en translation"> Voir le paragraphe « énergie cinétique dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Cas_d'un_système_en_translation|cas d'un système en translation]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique }}appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" />{{, }} <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque dans un référentiel galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> nous obtenons : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un référentiel <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière en translation <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> étant le C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> et <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =}</math> }}la résultante dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\,</math> ou <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste"> Applicable sous cette forme dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste.</ref> avec <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="système fermé de matière" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système en translation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =</math> <math>K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail effectué par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail effectué par la résultante dynamique }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <br>{{Al|208}}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Ce théorème <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais il doit bien sûr être connu <ref> Sans doute ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. car on considère usuellement un système de matière en translation comme un point matériel <math>\,\big(</math>le C.D.I. <math>\,G\,</math> du système<math>\big)\,</math> sur lequel s'exerce la résultante dynamique du système et, selon ce point de vue, le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un système de matière en translation n'est rien d'autre que le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un point matériel, lequel est, quant à lui, au programme <math>\;\ldots</math></ref>. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}<u>Préliminaire</u> : Un « système <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » peut, a priori, se déformer <ref name="système en rotation autour d'un axe"> Par exemple, en se dilatant, c.-à-d. que chaque point du système, en plus de sa rotation autour d'un axe fixe, s'éloigne radialement de cet axe <math>\,\big(</math>la vitesse d'éloignement pouvant être différente d'un point à un autre<math>\big)\,</math> mais dans ce cas il ne s'agit pas d'une rotation « pure » <math>\;\ldots</math> <br>{{Al|3}}Pour maintenir une même vitesse angulaire à un instant <math>\,t\,</math> pour tous les points d'un « système déformable », il faut que le mouvement orthoradial de chacun des points soit corrélé au mouvement radial correspondant, avec absence de mouvement axial, c.-à-d. que, pour deux points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> tels que la droite <math>\,M_iM_j\,</math> recoupe l'axe <math>\,\Delta\,</math> perpendiculairement en <math>\,H_{i,\,j}</math>, <math>\,\big[</math>les points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> ayant donc même abscisse angulaire <math>\,\theta_{i,\,j}(t)\big]\,</math> on ait <math>\,\dot{\theta}_{i,\,j}(t) = \overline{\Omega}(t)</math> <math>\,\big[</math>donc indépendant de <math>\,\left( i\,,\, j \right)\big]\,</math> pour tout instant <math>\,t\,</math> et pour tout couple <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> dont les éléments ont même abscisse angulaire, ces conditions étant très contraignantes sont quasiment jamais réalisées naturellement <math>\;\ldots</math></ref>, toutefois, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Préliminaire : un « système <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>fermé<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » }}il est, en pratique, indéformable et est alors qualifié de « solide » au sens de la mécanique ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Préliminaire : }}l’exposé ci-dessous s'applique à un système discret <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de points matériels ou un système continu <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}<u>Exposé</u> : Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière" /> indéformable, en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe <math>\,\Delta</math>, fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen », <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}tous les points ont le même vecteur rotation instantanée <math>\,\vec{\Omega}(t) = \overline{\Omega}(t)\;\vec{u}_{\Delta}\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\big[\vec{u}_{\Delta}\,</math> étant le vecteur unitaire orientant l'axe de rotation <math>\,\Delta\,</math> et <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\big[}</math>}}autour de cet axe de rotation <math>\,\Delta\big]\,</math> d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe"> Expression ne nécessitant pas que l'axe <math>\,\Delta\,</math> soit fixe, la fixité de l'axe dans un référentiel intervenant quand ce dernier est galiléen et quand on utilise l'un des théorèmes fondamentaux de la dynamique de rotation des systèmes <math>\,\big\{</math>par exemple le théorème de l'énergie cinétique établi dans ce paragraphe mais le traavail élémentaire déveeloppé par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» ne nécessite pas que <math>\,\Delta\,</math> soit fixe<math>\big\}</math>.</ref>{{,}} <ref name="travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur un système en rotation"> Voir le paragraphe « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> {{Nobr|«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)</math>}} <math>= \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;</math>» et le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\delta W\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right] = \mathcal{P}\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right]\;dt\;</math>» puis, en faisant la somme membre à membre de façon à définir le travail élémentaire du sytème des forces extérieures s'exerçant sur le système en rotation «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)\;dt\;</math>».</ref> où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> est le moment <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» ou, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>du travail élémentaire }}avec «<math>\;\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta\;</math>» dans lequel <math>\,\theta(t)\,</math> est l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, la réécriture <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>,«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>de la variation de l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}}\;</math>» avec, l'énergie cinétique, à l'instant <math>\,t</math>, de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le cadre de la cinétique newtonienne «<math>\;K_{\text{syst. en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en rotation autour d'un axe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d’un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d’un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> avec «<math>\;J_\Delta\,</math> le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}relativement à <math>\,\Delta\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe"> Voir la notion de moment d'inertie d'un système discret ou continu dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Application_à_un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe#Application_au_cas_d'un_«_système_fermé_de_matière_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe_«_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|application d'un système fermé de matière en rotation autour d'un axe Δ fixe quelconque dans un référentiel d'étuide galiléen]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> d'où, en cinétique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> appliqué à un solide <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_solide_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d'un système }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> avec «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» et «<math>\;\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <math>\,\overline{\Omega}(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}<math>= \dot{\theta}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> encore égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>avec <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> et <math>\,\theta(t)\,</math> l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" />, sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail du moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail du }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[\theta(t)\,</math> étant l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation est égale au travail du «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[\theta}\,</math> étant l'abscisse angulaire }}à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> étant le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = 2\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)}\;</math>» <math>\,\big[</math>}}<math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] <math>\,\big(</math>photographié ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_(non_amorti)|mise en équation différentielle du mouvement du pendule de torsion (non amorti)]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Théorème_de_la_puissance_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_autour_d'un_axe_Δ_fixe_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe dans un référentiel d'étude galiléen]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. {{Al|5}}Ci-contre le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec deux fils de torsion identiques de même constante de torsion «<math>\;C\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec }}positions de masselottes identiques <math>\,\big(</math>sauf pour la couleur<math>\big)\,</math> de part et d'autre du point <math>\,C\,</math><ref name="distinction entre point d'attache des fils sur la tige et constante de torsion des fils"> On accepte la même notation pour le point d'attache des deux fils sur la tige et la constante de torsion de ces derniers tant qu'il n'y a pas d'ambiguïté <math>\,\big(</math>ce qui ne devrait jamais arriver compte-tenu du fait que ces deux grandeurs sont de nature différente<math>\big)</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec positions de masselottes identiques }}<math>\,\big(C\,</math> point d’attache des deux fils de torsion sur la tige<math>\big)</math> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre <math>\,\big(</math>en absence de masselottes<math>\big)\,</math> diffère du « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] » de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici l'extrémité supérieure <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil de torsion supérieur est mobile au lieu d'être fixe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur étant dans les deux fixe et <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici la torsion initiale est fournie par rotation propre de <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> d'un angle «<math>\;2\,\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>repéré sur le cercle gradué lié à <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}</math>, position de référence du cercle gradué<math>\big)\,</math> <math>\Rightarrow</math> en pratique, après quelques oscillations, la tige <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}acquiert la position d'équilibre repérée par l'angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>voir vérification ci-dessous<math>\big)\,</math> alors que <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] la torsion initiale est fournie par rotation de la tige d'un angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>également repéré <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>dans le pendule du chap.7 }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}\big)</math>, la position d'équilibre de la tige étant repérée par l'angle nul ; {{Al|5}}<u>vérification de la position d'équilibre de la tige dans le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}orientant les deux fils de torsion du bas vers le haut, quand la tige acquiert la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion supérieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche"> Une hélice est « droite » si le point tourne sur la gauche <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique direct ou encore dans le sens antihoraire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée et <br>{{Al|31}}elle est « gauche » si le point tourne sur la droite <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique indirect ou encore dans le sens horaire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée <br>{{Al|3}}<math>\,\big[</math>revoir aussi la distinction « hélices gauche ou droite » dans le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Mouvement_de_particules_chargées_dans_des_champs_électrique_et_magnétique_:_Cas_particulier_d'un_champ_magnétostatique_uniforme#Nature_hélicoïdale_uniforme_du_mouvement_de_la_particule|nature hélicoïdale uniforme du mouvement de la particule]] » du chap.<math>24</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> d'un angle «<math>\;\theta_1 - 2\;\theta_1 = -\theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil"> L'angle de torsion du fil qui intervient dans le vecteur moment du couple de torsion est l'angle que fait l'extrémité mobile relativement à l'extrémité maintenue fixe même si cette extrémité est fixée avec torsion initiale comme c'est le cas pour le fil supérieur <math>\,\big\{</math>on peut vérifier que cette définition correspond bien au schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » car {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{A_0B_0}\;</math>»}} est lié à l'extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil supérieur et «<math>\;\overrightarrow{AB}\;</math>» à l’extrémité mobile <math>\,C\,</math> et il en est de même pour l'éventuel fil de torsion inférieur<math>\big\}</math>.</ref> par rapport à son extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion supérieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} = -C \left( -\theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion inférieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche" /> d’un angle «<math>\;\theta_1 - 0 = \theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil" /> par rapport à l’extrémité <math>\;O_{\text{inf}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion inférieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = -C \left( \theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = -C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur la tige vérifiant «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} + \vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = \vec{0}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur }}la tige est effectivement en équilibre dans cette position <math>\;\ldots</math> {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <math>\,\big\{</math>ensemble solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC"> L'axe <math>\,\Delta_C\,</math> est le support des fils de torsion.</ref> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemb}}le solide étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles"> Repérée par rapport à la position de l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemble solide étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des masselottes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des masselottes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des masselottes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur"> L'angle de torsion du fil supérieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 2\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation"> Il s'agit de l'application de la puissance instantanée développée par un système de forces extérieures sur un solide en rotation autour d'un axe fixe <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d'un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> quand le système de forces extérieures est équivalent à un couple <math>\,\big[</math>c.-à-d. un système dont la résultante est nulle et dont le moment résultant scalaire relativement à l'axe de rotation définit le moment scalaire du couple<math>\big]</math>.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur"> L'angle de torsion du fil inférieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 0 = \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cin%C3%A9tique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d'un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;</math> est le moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et masselottes » en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_C\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre"> Ce qui suppose que <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> est non identiquement nulle <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\theta(t)\,</math> n'est pas une constante c.-à-d. que le solide n'est pas à sa position d'équilibre.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à droite «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta_1\;</math>», équation différentielle linéaire <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants sans terme du 1^er ordre hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_non_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition non énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] », la présence d'un 2^nd membre constant signifiant que le paramètre caractérisant l'oscillateur dans l'espace n'est pas nul à l'équilibre.</ref> de rotation ; {{Al|5}}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Conséquence_«_le_pendule_de_torsion_(non_amorti)_est_un_oscillateur_harmonique_non_amorti_de_rotation_»|conséquence : le pendule de torsion (non amorti) est un oscillateur harmonique non amorti de rotation]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » ; [[File:Pendule de torsion amorti - vue de dessus.png|thumb|300px|Vue de dessus d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti par substitution d'ailettes planes aux masselottes fixées sur la tige <math>\,\big(</math>les fils de torsion supérieur et inférieur <math>\,\perp\,</math> au plan de la figure ne peuvent y être représentés<math>\big)</math>]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> du }}<math>\big(</math>voir vue de dessus partielle représentée ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre étant écarté initialement comme celui de début de paragraphe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, le pendule ci-contre étant écarté initialement }}la tige acquiert donc une position d'équilibre repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}l'ensemble « tige et ailettes » étant un solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC" /> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant }}le solide est, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant le solide est, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}les actions extérieures sont <math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des ailettes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{ailettte}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des ailettes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des ailettes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{ailette}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu dans lequel se déplace le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] exercent sur les ailettes, modélisées par un <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> }}couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Couple_de_frottement_fluide_linéaire_agissant_sur_le_pendule_par_l’intermédiaire_des_ailettes|couple de frottement fluide linéaire agissant sur le pendule par l'intermédiaire des ailettes]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple }}<math>\big[H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}et du fluide sur lequel frottent les ailettes<math>\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide la puissance instantanée }}selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\,</math> est le moment d'inertie du solide « tige + ailettes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et ailettes » en rotation autour de <math>\,\Delta_C\,</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t) - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t) - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1 - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étudié «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta_1\;</math>», équation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}différentielle linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique" /> de rotation ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Loi_horaire_de_position_angulaire_du_pendule_de_torsion_amorti|loi horaire de position angulaire du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ». == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule pesant non amorti à un degré de liberté - forces extérieures.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté <math>\,\big(</math>schématisé ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_non_amorti_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_du_moment_cinétique_scalaire|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant non amorti (à un degré de liberté) par application du théorème du moment cinétique scalaire]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />. {{Al|5}}Ci-contre schéma de face du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] idéale <ref name="liaison idéale"> C.-à-d. dans laquelle on peut négliger les frottements solides.</ref> du solide en rotation autour de l’axe horizontal <math>\,\Delta_O\;</math><ref name="liaison pivot du pendule"> Pour plus de détails voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Présentation_du_pendule_pesant_(non_amorti)_«_P.P.(N.A.)_»|présentation du pendule pesant (non amorti) P.P.(N.A.)]] (liaison pivot avec le point O) » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Non Amorti.</ref> à un degré de liberté ayant un mouvement de rotation imposé par la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] du solide avec l'axe <math>\,\Delta_O</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté }}son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,O</math>, d'axe <math>\,\Delta_O\,</math> orienté par le vecteur unitaire «<math>\;\vec{u}_{\Delta_O}\;</math>» et <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,\color{transparent}{O}</math>, }}de rayon «<math>\;\mathfrak{a}\;</math>» avec, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. }}<math>G\,</math> repéré par son abscisse angulaire «<math>\;\theta_G(t) = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\overrightarrow{OG}(t) \right\rbrace} = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\vec{u}_r(t) \right\rbrace}\;</math>» <ref name="noté theta"> Noté «<math>\;\theta(t)\;</math>» par la suite en absence d'ambiguïté.</ref> ; {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = \left[ \overrightarrow{OG}(t) \wedge m\;\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_O} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids"> Le moment vectoriel du poids par rapport à <math>\,O\,</math> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)\;</math>» a établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_liaison_sphérique_et_avec_les_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b),_établissement_de_la_nature_plane_du_mouvement_du_C.D.I._G_du_P.P.(N.A.)|dans le cas d'une liaison sphérique et avec les C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), établissement de la nature plane du mouvement du C.D.I. G du P.P.(N.A.)]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] », soit «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\varphi_G}(t)\;</math>» avec <math>\,\vec{u}_{\varphi_G}\,</math> s'identifiant à <math>\,\vec{u}_{\Delta_O}</math>. <br>{{Al|3}}On pouvait aussi déterminer directement le moment scalaire du poids, le schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_«_liaison_pivot_»_ou_d’une_«_liaison_sphérique_avec_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b)_»,_nouveau_repérage_adapté_à_la_nature_rotatoire_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_à_un_degré_de_liberté|dans le cas d'une liaison pivot ou d'une liaison sphérique avec C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), nouveau repérage adapté à la nature rotatoire du mouvement du P.P.(N.A.) à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » étant fait avec le paramètre de position angulaire <math>\,\theta > 0</math>, on observe que le poids tend à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,-\,</math> avec un bras de levier <math>\,\big(</math>distance orthogonale séparant l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du support de <math>\,m\;\vec{g}\big)\,</math> égal à <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où, dans le cas où <math>\,\theta\,</math> est <math>\,> 0</math>, {{Nobr|«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)</math>}} <math>= - \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>» <math>\,\Big\{</math>le résultat est indépendant du signe de <math>\,\theta\,</math> mais si le schéma était fait avec <math>\,\theta < 0</math>, on observerait que le poids tendrait à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,+\,</math> avec un bras de levier <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = + \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = m\;g\;\left[ -\mathfrak{a}\; \sin(\theta) \right] = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>», soit effectivement le même résultat <math>\,\big[</math>avec toutefois une possibilité d'erreur si on oubliait que <math>\,\theta < 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert = -\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\big]\Big\}</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_particulier_où_M_est_en_mouvement_circulaire_d'axe_Δ_et_de_vitesse_angulaire_instantanée_Ω(t)|cas particulier où M est en mouvement circulaire d'axe Δ et de vitesse angulaire instantanée Ω(t)]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> de la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I."> Conditions Initiales.</ref> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O"> On a établi dans la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#cite_note-réduction_à_deux_composantes_de_la_réaction_dans_ces_C.I.-18|¹⁸]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » que la réaction du point <math>\,O\,</math> dans l'hypothèse d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] sur le pendule lancé dans les C.I. <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\,</math> ou <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\,</math> s'écrirait <math>\,\vec{R}(t) =</math> <math>R_{\rho_G}(t)\;\vec{u}_{\rho_G}(t) + R_z(t)\;\vec{u}_z</math>, c.-à-d. que la réaction serait dans le plan vertical de lancement soit encore «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» ; <br>{{Al|3}}on établit de même <math>\,\big[</math>sans que cela ait été exposé dans le chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> que la réaction de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le pendule quels que soient les C.I. de lancement compatibles avec la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] s'écrit «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>».</ref> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul"> En effet la force étant <math>\,\perp\,</math> à l'axe par rapport auquel son moment scalaire est évalué est de bras de levier nul.</ref> auquel s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe"> Le couple étant de moment vectoriel <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta_O</math>.</ref> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée à la date <math>\,t\,</math> par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée développée à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|7}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}sans terme du 1^er ordre ; {{Al|5}}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique"> On appelle « [[w:Solution_de_forme_fermée|solution analytique]] » d'une équation différentielle, une expression mathématique <math>\,\big(</math>souvent dite « formule explicite »<math>\big)\,</math> pouvant s'obtenir par une combinaison d'opérations et de [[w:Fonction_de_référence|fonctions de référence]] <math>\,\big(</math>c.-à-d. fonctions affines, puissances, trigonométriques et exponentielles ainsi que leurs fonctions inverses sur un domaine de définition restreint pour lequel il y a bijection et même certaines solutions d'équations différentielles dites de référence<math>\big)</math>, les opérations étant l'addition, la soustraction, la multiplication, la division et l'extraction de racines.</ref> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’élongations_angulaires_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'élongations angulaires non petites]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il est nécessaire de procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="solution analytique dans le cas d'élongations petites"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Cas_particulier_des_«_petites_élongations_angulaires_»,_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_=_oscillateur_harmonique_(non_amorti)_approché_de_rotation,_période_des_«_petites_oscillations_»|cas particulier des petites élongations angulaires, pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) oscillateur harmonique (non amorti) approché de rotation, période des petites oscillations]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. [[File:Pendule pesant amorti à un degré de liberté - forces extérieures - bis.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures, <math>\,I\,</math> étant le point où la résultante des forces de frottement fluide peut être appliquée]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti <math>\,\big(</math>voir coupe partielle représentée ci-contre<math>\big)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire" /> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I." /> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O" /> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul" /> où s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe" /> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu où se déplace le [[w:Pendule_pesant|pendule]] exercent sur ce dernier, de vecteur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}moment en <math>\,O</math> <math>\,\overrightarrow{\mathcal{M}}_{O,\,\text{flu}}(t)</math>, de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\Delta_O,\,\text{flui.}}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti" />{{,}} <ref name="définition de H"> <math>\,H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]], de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frotte le solide.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}la puissance instantanée développée par les actions de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{flu}}(t) = \mathcal{M}_{\Delta_O,\,\text{flui.}}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Amorti.</ref> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\mathcal{M}_{\!O,\,\text{flu}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0 - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right] - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_O}}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}avec terme linéaire du 1^er ordre ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique" /> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’amplitudes_initiales_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'amplitudes initiales non petites]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il faut procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique - bis"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » nécessitant néanmoins d'ajouter le terme d'amortissement <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A." />. == « En complément », caractère conservatif du couple de torsion, énergie potentielle de torsion et conservation de l’énergie mécanique du pendule de torsion (non amorti) dans le champ de torsion du fil == {{Al|5}}Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » ne sont pas explicités dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » }}il me semble souhaitable de le retenir <math>\,\big(</math>et bien sûr d’être capable de le retrouver<math>\big)</math>. === Caractère conservatif du couple de torsion === {{Al|5}}Le travail élémentaire d’un couple de torsion s’exerçant sur un solide, de vecteur moment «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t) = -C\;\alpha(t)\;\vec{u}_\Delta\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Expression_du_vecteur_moment_du_couple_de_torsion_exercé_par_le_fil_en_fonction_de_l'angle_de_torsion_«_α(t)_»,_notion_de_constante_de_torsion_«_C_»_du_fil_de_torsion|expression du vecteur moment du couple de torsion exercé par le fil de torsion α(t), notion de constante de torsion C du fil de torsion]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> lors d’une torsion élémentaire «<math>\;d \alpha\;</math>» <ref name="définition de Delta et alpha sur le fil de torsion"> <math>\,\Delta\,</math> étant la direction du fil de torsion orienté par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et «<math>\;\alpha\;</math>» l'angle de torsion algébrisé, défini au niveau de la liaison au solide dans le plan <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta\,</math> et orienté par <math>\,\vec{u}_\Delta</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion }}étant défini selon «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>», <math>\,\big[\overline{\Omega}(t)\,</math> étant la vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt}\;</math>», <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \alpha\;</math>»<math>\big]\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> soit finalement <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon }}«<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -C\;\alpha\; d \alpha\;</math>» correspondant à une différentielle de fonction <math>\Rightarrow</math> le <u>caractère conservatif du couple de torsion</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple"> Pour montrer qu’une force est conservative, on évalue son travail élémentaire en prenant un vecteur déplacement élémentaire quelconque <math>\,\overrightarrow{dM}\,</math> à partir du point d'application <math>\,M\,</math> de la force <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#2ème_définition_(équivalente)_d'une_force_«_conservative_»|2^ème définition (équivalente) d'une force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> ; <br>{{Al|3}}lorsqu'il s’agit d'un couple de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, il faut évaluer son travail élémentaire en envisageant une rotation élémentaire quelconque autour de n'importe quelle direction, le couple est alors conservatif si ce travail élémentaire est une différentielle de fonction mais <br>{{Al|3}}{{Transparent|lorsqu'il s'agit d'un couple }}dans le cas d’un couple de torsion de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, la seule direction autour de laquelle peut s’effectuer une rotation élémentaire est celle du fil c.-à-d. celle de <math>\,\vec{\Gamma}\,</math> et par suite la seule condition pour que le couple de torsion soit conservatif est que son travail élémentaire en considérant une rotation élémentaire autour de la direction du fil de torsion soit une différentielle de fonction ou encore que « le moment scalaire du couple de torsion par rapport au fil ne dépende que de l'angle de torsion <math>\,\alpha\;</math>» C.Q.E.R. <math>\,\big(</math>Ce Qui Est Réalisé<math>\big)</math>.</ref>. === Énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion === {{Al|5}}L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,U_{\text{tors}}\,</math> dont « dérive » le couple de torsion de vecteur moment <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}est définie par «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#1ère_définition_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|1^ère définition de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> c.-à-d. «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(\alpha)\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\,</math> ou <math>\,-C\;\alpha\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <math>\Leftrightarrow</math> «<math>\;\dfrac{dU_{\text{tors}}}{d \alpha} = C\;\alpha\;</math>» soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}en intégrant «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2 + cste\;</math>» ; choisissant la référence de l’énergie potentielle de torsion <math>\;U_{\text{tors}}(\alpha)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle"> C.-à-d. l'endroit où l'énergie potentielle est choisie nulle.</ref> <br>{{Al|7}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> en intégrant «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\alpha) = 2\; C\;\alpha^2 + cste}\;</math>» ; choisissant la référence }}quand le fil n’est pas tordu c.-à-d. <math>\,U_{\text{tors}}(0) = 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = 0</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}l'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d’un fil et sa conservation en absence de frottement === [[File:Pendule de torsion sans masselottes - actions exercées.png|thumb|500px|Schéma d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] représenté sans masselottes additives et avec fil inférieur sans torsion avec ajout des actions exercées sur la tige à l'instant <math>\;t</math>]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec un seul fil de torsion, l'autre fil étant sans torsion <math>\,\big(</math>voir schéma ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec un seul fil de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}la seule action extérieure de moment scalaire non nul par rapport à la direction <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}commune du fil de torsion et du fil sans torsion <math>\;\big(</math>orientée par le vecteur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> étant le couple « conservatif » de torsion <ref name="conservativité du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Caractère_conservatif_du_couple_de_torsion|caractère conservatif du couple de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}moment vectoriel «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}} = -C\;\alpha\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion /> auquel on associe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie potentielle de torsion du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre valant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;U_{\text{tors}}(t) =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion énergie potentielle de torsion }}<math>\,\dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_torsion_du_solide_relié_au_fil_de_torsion|énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}son énergie cinétique à la date <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{pend. tors.}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique }}<math>J_{CO_{\text{sup}}}\,</math> est le moment d'inertie du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] relativement à la <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique <math>\color{transparent}{J_{CO_{\text{sup}}}}\,</math> est }}direction du fil de torsion et du fil sans torsion <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à l'instant <math>\,t\,</math> selon «<math>\;E_m(t) = K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Propriétés_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|propriétés de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] (2^ème propriété) » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha_0 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\alpha(0) = \alpha_0\;</math> et <math>\,\dot{\alpha}(0) = 0\;</math>». [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]]]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige <math>\,\big(</math>voir photographie ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec deux fils de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}il y a deux actions extérieures s'exerçant sur le solide « tige + masselottes » de moment scalaire non nul par rapport à <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}la direction commune <math>\,\Delta_C\,</math> des deux fils de torsion <math>\,\big(</math>orientée par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}élémentaire du solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}prouve le <u>caractère conservatif du couple de torsion du fil supérieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}supérieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = -d U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta = -d U_{\text{tors. sup.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. sup.}}}{d \theta} = C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\,</math> qui s'intègre en <math>\,U_{\text{tors. sup.}}</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,= \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> et, en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. sup.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du solide à l'équilibre » c.-à-d. <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre"> Revoir l'explication rappelée dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans le chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil supérieur du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta_1 - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_1 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion"> Symboliquement l'énergie potentielle d'un solide dans le champ de torsion d'un fil de torsion s'obtient, à une constante additive près, par la moitié du produit de la constante de torsion du fil et du carré de l'angle de torsion, à l'instant <math>\;t</math>, du fil au point d'attache du solide.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation élémentaire du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\; \theta(t)\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et prouve le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<u>caractère conservatif du couple de torsion du fil inférieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}inférieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = -d U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\;\theta\;d \theta = -d U_{\text{tors. inf.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. inf.}}}{d \theta} = C\; \theta\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{tors. inf.}} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} + cste_2\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. inf.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position du solide à l'équilibre » c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil inférieur du solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2} + cste_2 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_2 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}finalement l'énergie potentielle globale de torsion du solide « tige + masselottes » <math>\,\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale }}s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = U_{\text{tors. sup.}}(\theta) + U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» ou, en simplifiant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale s'écrit }}«<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2\;</math>» <ref> En effet <math>\,\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + 2\;C\; \theta_1^{\,2} + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + C\; \theta_1^{\,2} = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2</math>.</ref>{{,}} <ref> Cette énergie potentielle de torsion du solide « tige + masselottes » est la même que celle que l'on obtiendrait avec un seul fil de torsion de constante de torsion <math>\,2\,C</math>, l'autre fil étant sans torsion avec la référence en la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>.</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule ci-dessus étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «<math>\;\color{transparent}{K_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#%Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torion par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique de l'ensemble tige + masselottes) » plus haut dans ce chapitre.</ref> avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule }}<math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion des deux fils définie, à l'instant <math>\,t\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie mécanique }}«<math>\;E_m(t) = K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}\! \left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\alpha\;</math>» dans le 1^er exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] ou <br>{{Al|57}}celui «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta - \theta_1 \right]^2 \,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du 2^ème exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|même]] paragraphe <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}étant parabolique, nous retrouvons la <u>2^ème définition d’un oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math>de rotation<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_(équivalente)_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition (équivalente) énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. <br>{{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> de son mouvement dans le 2^ème exemple du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}«<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2 = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>», <br>{{Al|58}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}les C.I. <ref name="C.I." /> étant «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}est donc une <u>ellipse décrite dans le sens horaire</u> <ref name="portrait de phase d'un socillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Tracé_du_portrait_de_phase_de_la_charge_du_condensateur_d'un_«_R_L_C_série_»_soumis_à_un_échelon_de_tension_suivant_le_cœfficient_d'amortissement|propriétés des portraits de phase de la charge du condensateur d'un RLC série soumis à un échelon de tension suivant le cœfficient d'amortissement]] (cas d'un circuit oscillant non amorti en vert) » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. == Conservation de l’énergie mécanique du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) dans le champ de pesanteur uniforme == === Énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant === {{Al|5}}Dans le cas d'un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref><math>\big)</math>, le poids du solide étant la seule action extérieure travaillant et ce dernier étant conservatif <ref name="poids d'un objet conservatif"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Établissement_du_caractère_«_conservatif_»_du_poids_d'un_point_matériel_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|établissement du caractère conservatif du poids d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, }}on lui associe l'énergie potentielle de pesanteur «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta)\;</math>» <ref name="énergie potentielle de pesanteur"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#«_Énergie_potentielle_de_pesanteur_d'un_point_matériel_»_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|énergie potentielle de pesanteur d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> déterminée en intégrant «<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = -dU_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> avec <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)\,</math> travail élémentaire du poids lors d'une rotation élémentaire d'angle <math>\,d \theta = \dot{\theta}(t)\;dt\,</math> autour de <math>\,\Delta_O\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe «<math>\;\color{transparent}{\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)}\,</math>}}<math>= \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;dt = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)\;dt = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;d \theta\;</math>» <ref name="travail élémentaire du poids du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (actions extérieures exercées sur le solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> d'où <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}<math>\,-dU_{\text{pes}} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\;d \theta\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{pes}}}{d \theta}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\,</math> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right) + cste\;</math>» <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}soit, en choisissant comme référence de l'énergie potentielle <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> « la position <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}d'équilibre stable de ce dernier <ref name="équilibre stable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessous de ce dernier.</ref> <math>\,\theta_{\text{éq. stable}} = 0\;</math>» d'où <math>\,U_{\text{pes}}(0) = 0\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}<math>\Rightarrow</math> <math>\,0 = -m\;g\;\mathfrak{a} + cste\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = m\;g\;\mathfrak{a}\,</math> d'où l'expression de <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}l'énergie potentielle de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> se réécrit selon <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta \right) \right]\;</math>» <ref> Pour trouver l'expression de l'énergie potentielle de pesanteur on peut aussi utiliser <math>\,\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = m\;g\;dz_G = -dU_{\text{pes}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{pes}} = -m\;g\;z_G + cste\,</math> sachant que <math>\,z_G = \mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right)\,</math> avec pour position d'équilibre stable <math>\,z_{G,\,\text{éq. stable}} = \mathfrak{a}</math> <math>\;\ldots</math></ref> <math>\,\big(</math>référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : la position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement === {{Al|5}}Considérant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A." /><math>\big)</math>, l'énergie potentielle de pesanteur étant «<math>\;U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right] = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\,</math> avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> <math>\,\theta_{\text{équi. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P."/> » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> et <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie cinétique du solide constituant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique du solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> dans laquelle <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie cinétique}}«<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du solide par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie mécanique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> dans le champ de pesanteur «<math>\;E_m\!(t) = K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) + U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right]</math> <br>{{Al|23}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie mécanique du P.P.N.A. dans le champ de pesanteur «<math>\;\color{transparent}{E_m\!(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{P.P.N.A.}}(t) + U_{\text{pes}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P..P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\,\left[ 1 - \cos(\theta) \right]\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}n'étant pas parabolique <math>\,\big(</math>mais sinusoïdal<math>\big)</math>, nous pouvons affirmer que <u>le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> n'est pas un oscillateur harmonique</u> <math>\,\big(</math>quand il est en situation d'osciller<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <math>\blacktriangleright\;</math>« oscillatoire pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'énergie mécanique initiale du P.P.N.A. vaut «<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^2 + m\;g\; \mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta_0 \right) \right]\;</math>».</ref> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. est }}<math>\blacktriangleright\;</math>« révolutive pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="étude du mouvement d'un P.P.N.A. par diagramme d'énergies"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Étude_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_dans_le_cas_général_des_élongations_angulaires_non_petites_par_diagramme_énergétique|étude du mouvement du P.P.(N.A.) dans le cas général des élongations angulaires non petites par diagramme énergétique]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}de démontrer, avec utilisation simultanée de l'intégrale 1^ère énergétique <ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'intégrale 1^ère énergétique du P.P.N.A. s'écrit «<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^{\,2} + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet de démontrer, }}la nature « périodique <math>\,\big(</math>oscillatoire ou révolutive<math>\big)\;</math>» ainsi que <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}d’établir l’expression de la période sous forme intégrale <math>\ldots</math> {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Les [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d’un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ayant pour équation implicite l’intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\;</math><ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" /> de son mouvement lequel dépend de la valeur de l'énergie mécanique initiale <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />, <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. }}diffèrent suivant <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="différents portraits de phase d'un P.P.N.A."> Voir les paragraphes « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Tracé_des_portraits_de_phase_dans_le_cas_général_«_d'oscillations_ou_de_mouvement_révolutif_»_d'un_P.P.S._lancé_dans_les_C.I._«_1b_U_1a_»|tracé des portraits de phase dans le cas général d'oscillations ou de mouvement révolutif d'un P.P.S. lancé dans les C.I. 1b U 1a]] » du chap.<math>12</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\,\big(</math>l'allure des [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti étant la même que ceux d'un [[w:Pendule_simple|pendule simple]] non amorti<math>\big)\,</math> et « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Différents_portraits_de_phase_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté),_«_bifurcation_»_entre_mouvement_«_pendulaire_»_et_révolutif|différents portraits de phase du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté), bifurcation entre mouvement pendulaire et révolutif]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>pendulaire</u> <ref name="pendulaire"> Adjectif synonyme d'« oscillatoire ».</ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>fermé</u>, décrit dans le « <u>sens horaire</u> » <ref name="justification du sens horaire"> Ou « trigonométrique indirect », en effet « quand <math>\,\dot{\theta}\,</math> est <math>\,> 0</math>, <math>\,\theta \nearrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \nearrow\,</math> puis <math>\,\searrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule » ensuite «<math>\;\dot{\theta}\,</math> est <math>\,< 0</math>, correspondant à <math>\,\theta \searrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \searrow\,</math> puis <math>\,\nearrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule de nouveau » <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}avec le point «<math>\;\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)\;</math>» comme « <u>centre de </u>{{Nobr|<u>symétrie</u> » <ref name="justification du centre de symétrie"> Invariance de l’équation en changeant «<math>\;\theta\,</math> en <math>\,-\theta\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des vitesses angulaires <math>\,\big(</math>en fait antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>» et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Invariance de l’équation }}en changeant «<math>\;\dot{\theta}\,</math> en <math>\,-\dot{\theta}\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des abscisses angulaires <math>\,\big(</math>là encore c'est une antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|3}}l’association des deux symétries axiales <math>\,\big(</math>ou plutôt des deux antisymétries axiales<math>\big)\,</math> donnant un centre de symétrie pour l'intersection des deux axes <math>\,\big[</math>le point d'intersection des deux axes étant réellement une symétrie centrale <math>\,\big(</math>et non une antisymétrie centrale<math>\big)</math>.</ref>}} <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, avec le point «<math>\;\color{transparent}{\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)}\;</math>» }}correspondant à la position d’équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /> du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ; <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> }}<math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>révolutif</u>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>ouvert</u>, constitué de la <u>répétition du motif de l'intervalle</u><math>\;\left] -\pi\, , \, \pi \right]</math>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase }}répété <math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \nearrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} > 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 > 0\;</math>» ou <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase répété }}<math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \searrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} < 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 < 0\;</math>», <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)\;</math>» et celui avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,-\dot{\theta}_0 > 0 \right)\;</math>» <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, le portrait de phase avec C.I. «<math>\;\color{transparent}{\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)}\;</math>» }}étant <u>antisymétriques</u> l'un de l'autre, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>maxima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre stable</u> <ref name="équilibre stable du P.P." /> «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres stables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» ;<br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}\;</math>»<math>\big)\;</math> alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big)</math>.</ref> et <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>minima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre instable</u> <ref name="équilibre instable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessus de ce dernier.</ref> «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;</math> <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, les minima de<math>\;\color{transparent}{\vert \dot{\theta} \vert}\;</math>obtenus pour les positions d’équilibre instable «<math>\;\color{transparent}{\theta_{\text{éq. inst.}} =}</math> }}<math>\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres instables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = -\left( 2\;p' + 1 \right)\, \pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big[</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big]\;</math>.</ref>. == « Généralisation » à tout « solide » : « théorème de la variation de l’énergie mécanique » et la forme locale associée « le théorème de la puissance mécanique », application au cas d’un solide amorti == {{Al|5}}Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à la généralisation à tout système de points matériels ou continu de matière « indéformable » <ref name="solide au sens de la mécanique" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à }}la généralisation aux systèmes de points matériels ou continus de matière « déformables » sera faite dans le chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Lois_de_l'énergie_cinétique_pour_un_système_déformable_de_points_matériels#«_En_complément_»,_théorème_de_la_variation_de_l’énergie_mécanique_appliqué_à_un_système_de_matière_déformable_dans_le_champ_des_forces_extérieures_et_intérieures_conservatives_et_sa_forme_locale_«_le_théorème_de_la_puissance_mécanique_»|en complément : théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un système de matière déformable dans le champ des forces extérieures et intérieures conservatives et sa forme locale le théorème de la puissance mécanique]] » du chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. === Théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s’écrivant «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\bullet\;</math>celles qui sont conservatives <math>\,\big(</math>lesquelles « dérivent » d’une énergie potentielle<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{ransparent}{\bullet}\;</math>}}dont le travail pendant cette durée finie est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées }}<math>\bullet\;</math>celles qui sont non conservatives <ref name="non conservatives"> Ou, si elles sont conservatives, dont on ne considère pas le caractère « conservatif ».</ref> dont le travail pendant cette durée finie <br>{{Al|12}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>celles qui sont non conservatives dont }}est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}d'où «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou, avec «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, }}<math>\big(U_{\text{ext}}\,</math> étant l'énergie potentielle dont dérivent les forces conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, <math>\color{ransparent}{\big(}</math>}}définie à une constante additive près précisée par choix de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}<math>\Rightarrow</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» d’où la réécriture du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « solide <math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\left( \mathcal{S} \right)} + U_{\text{ext}} \right] = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» où on reconnaît dans le 1^er membre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}la variation de l’énergie mécanique «<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t) + U_{\text{ext}}\!(t)\;</math>» du solide «<math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le champ des forces conservatives sur la durée <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> dans le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où dans le champ des forces conservatives }}référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen d'où, finalement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}le lien entre la variation de l'énergie mécanique du « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;\Delta E_m = E_{m,\,\mathcal{F}} - E_{m,\,\mathcal{I}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» le lien }}le travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> sur cette même durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}«<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» applicable à un solide dans un référentiel d’étude galiléen, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}l'énoncé du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie dans un référentiel galiléen <ref> Ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. sous la forme où il existe des forces extérieures non conservatives dissipatives mais, comme le cas où toutes les forces extérieures travaillant sont conservatives est clairement explicité <math>\,\big(</math>sous la forme de la conservation de l’énergie mécanique du solide<math>\big)</math>, le cas où il existe des forces extérieures travaillant et non conservatives <math>\,\big(</math>comme des forces de frottement<math>\big)\,</math> s’appliquant à un solide peut difficilement être ignoré d'où l'ajout du théorème sous sa forme la plus générale <math>\;\ldots</math></ref>. : {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}<math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <math>\,K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation «<math>\;\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» }}égale au travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale au travail }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire dans un référentiel galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique }}se déduit aisément de sa forme sur une durée finie soit {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}conservatives <math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}<math>K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> <math>\color{transarent}{K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)}\,</math> l'énergie cinétique }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation élementaire«<math>\;d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t)\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» }}égale au travail élémentaire des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» égale au travail }}appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;d E_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide }}est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée finie ou élémentaire se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>». === Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de la puissance mécanique est la forme locale associée à la forme intégrée <ref name="forme intégrée de forme locale" /> “ théorème de la variation de l'énergie mécanique sur une durée finie ou élémentaire ” ; {{Al|5}}pour obtenir cette forme locale on écrit le théorème de la variation de l’énergie mécanique d’un solide dans le champ des forces extérieures conservatives entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math><ref> C.-à-d. la forme élémentaire du théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un solide.</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on écrit }}«<math>\;dE_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\,</math> dans un référentiel galiléen » puis, <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on divise les deux membres par <math>\,dt\,</math> soit «<math>\;\dfrac{dE_m}{dt} = \dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{dE_m}{dt}\;</math>» est la dérivée temporelle de l’énergie mécanique du solide dans le champ des forces extérieures conservatives définissant <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}la puissance mécanique du solide à l'instant <math>\,t\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives, notée «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» la puissance instantanée développée, à l'instant <math>\,t</math>, par les forces extérieures non conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}appliquées au solide notée «<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on obtient «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» d'où l'énoncé du théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen : {{Théorème|titre=Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide »|contenu = {{Al|5}}La puissance mécanique à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> <math>\big[</math>avec, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie mécanique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{ext}}(t)}\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces }}conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math>» l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique }}est égale à la puissance instantanée développée par les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique est égale à }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> au même instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide à un instant <math>\,t\,</math> quelconque se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}c.-à-d., après intégration, « la conservation de l’énergie mécanique du solide précédemment défini ». === Application au cas d’un solide amorti === {{Al|5}}Parmi les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées à un solide et travaillant, « les plus fréquentes sont dissipatives » <ref> Mais elles peuvent aussi être motrices par exemple, si nous souhaitons que les oscillations d’un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ou d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] perdurent alors qu’existent naturellement des frottements {{Nobr|<math>\,\big(</math>même}} minimes<math>\big)</math>, il est nécessaire de les entretenir à l’aide d’une force extérieure motrice compensant les forces de frottement, cette force motrice étant alors usuellement non conservative tout comme le sont les forces de frottement.</ref> comme les forces de frottement fluide <math>\,\big(</math>ou solide<math>\big)</math> ; {{Al|5}}si les seules forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> travaillant sont des forces de frottement s'exerçant sur un solide en mouvement dans un référentiel galiléen, <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces }}conservatives <ref name="théorème de la puissance mécanique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_la_puissance_mécanique_appliqué_à_un_«_solide_»|théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}s’écrivant «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{frott}}\!(t) < 0\;</math>» dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}l'énergie mécanique de ce solide «<math>\;E_m(t) \searrow\,</math> au sens strict » avec <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}</math> <math>\big(</math>il est qualifié d'« amorti »<math>\big)</math>. ==== Cas particulier du pendule de torsion amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] dont la photographie est dans un « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|paragraphe plus haut dans ce chapitre]] » mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}avec les masselottes remplacées par des ailettes comme présenté dans le schéma de vue de dessus de la « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|remarque du paragraphe précité]] », <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d'un fil et sa conservation en absence de frotemment]] (2^ème exemple) » plus haut dans ce chapitre dans lequel <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> doit être remplacée par <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})</math>.</ref> dans le référentiel <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « }}<math>\big\{</math>avec <math>\,U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> la position d'équilibre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « <math>\color{transparent}{\big\{}</math>avec <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2}\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence }}du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}on en déduit la puissance mécanique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;\dot{E}_m(t) = J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + 2\;C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]\,\dot{\theta}(t)\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}la puissance du couple de frottement fluide linéaire <math>\,\big(</math>seules forces extérieures non conservatives travaillant de moment scalaire par rapport à l'axe de rotation du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion la puissance du couple de frottement fluide linéaire <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>}}<math>\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion" />, <math>\,H\,</math> étant une constante positive <ref> Exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frottent les ailettes.</ref><math>\big)\,</math> <br>{{Al|6}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion la puissance du couple de frottement fluide linéaire }}agissant sur les ailettes du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étant «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] (remarque : actions extérieures exercées sur l'ensemble “ tige et ailettes ”) » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}le théorème de la puissance mécanique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» ou <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» ou encore, <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + 2\;C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]\,\dot{\theta}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}après simplication par <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> non identiquement nulle <ref name="hors position d'équilibre" /> et normalisation <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <ref> Identique à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Identique }}à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] (2^ème exemple où les masselottes sont remplacées par des ailettes) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <center>«<math>\;\ddot{\theta}(t) + + \dfrac{H}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta_1\;</math>».</center> ==== Cas particulier du pendule pesant à un degré de liberté amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] à un degré de liberté dont le schéma est dans un « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|paragraphe plus haut dans le chapitre]] » dans lequel <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}des frottements fluides linéaires agissent sur le [[w:Pendule_pesant|pendule]] comme présentées dans le schéma de la « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|remarque du paragraphe précité]] », <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}l'énergie mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frotemment]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> dans le référentiel <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté l'énergie mécanique du P.P.A. étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « }}<math>\big\{</math>avec <math>\,U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\,</math> l'énergie potentielle de pesanteur <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté l'énergie mécanique du P.P.A. étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « <math>\color{transparent}{\big\{}</math>}}la position d'équilibre stable du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> <math>\,\theta_{\text{équi. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P."/><math>\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}on en déduit la puissance mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." />, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;\dot{E}_m(t) = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \sin\! \left[ \theta(t) \right]\,\dot{\theta}(t)\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}la puissance des forces de frottement fluide linéaire <math>\,\big(</math>seules forces extérieures non conservatives travaillant de moment scalaire par rapport à l'axe de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté la puissance des forces de frottement fluide linéaire <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>}}rotation du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] <math>\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_O}(t) = -H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="moment scalaire des forces de frottement fluide sur pendule pesant"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <math>\,H\,</math> étant une constante positive <ref> Exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]], de la forme de celui-ci par rapport à l'axe et du fluide sur lequel il frotte.</ref><math>\big)\,</math> <br>{{Al|6}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté la puissance des forces de frottement fluide linéaire }}agissant sur le [[w:Pendule_pesant|pendule]] étant «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_O}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (remarque : actions extérieures exercées sur le solide du pendule) » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» ou <br>{{Al|20}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» ou encore, <br>{{Al|20}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \sin\! \left[ \theta(t) \right]\,\dot{\theta}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou <br>{{Al|20}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}après simplication par <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> non identiquement nulle <ref name="hors position d'équilibre" /> et normalisation <br>{{Al|20}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] amorti <ref> Identique à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Identique }}à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (remarque établissement de l'équation différentielle du P.P.A.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|20}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + + \dfrac{H}{J_{\Delta_O}}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>». == Notes et références == <references /> {{Bas de page | idfaculté = physique | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie|Approche énergét. du mouv. d'un sol. en rotat. autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels|Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels]] }} ifp7ea3qdmoe3lqlc8xk0hphgd5azhh 987972 987971 2026-11-01T10:21:02Z Phl7605 31541 /* Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique */ 987972 wikitext text/x-wiki {{Chapitre | idfaculté = physique | numéro = 12 | niveau = 14 | précédent = [[../Approche énergétique du mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : Lois scalaires de l'énergie cinétique 1ère partie/]] | suivant = [[../Lois de l'énergie cinétique pour un système déformable de points matériels/]] }} <center>Ce chapitre est traité dans le cadre de la dynamique newtonienne avec ajout de quelques éléments de dynamique relativiste.</center> == Théorème de l'énergie cinétique d’un système de matière, cas d’un solide en rotation autour d’un axe fixe == {{Al|5}}Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}est évidemment à connaître comme forme intégrée de la forme locale <ref name="forme intégrée de forme locale"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Lois_de_la_puissance_et_de_l'énergie_cinétiques#Différence_entre_«_forme_locale_de_la_dynamique_»_et_«_forme_intégrée_associée_à_cette_forme_locale_»|différence entre forme locale de la dynamique et forme intégrée associée à cette forme locale]] » du chap.<math>15</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> « théorème de la puissance <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le « théorème de l'énergie cinétique d'un système de matière » }}cinétique d'un système de matière » laquelle est inscrite explicitement dans le programme <math>\;\ldots</math> === Définition du travail du système des forces extérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque"> Par « système de matière quelconque » il faut entendre « système fermé discret de points matériels ou continu de matière » « déformable ou non ».</ref> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1"> A priori <math>\,N\,</math> pourrait être égal à <math>\,1\,</math> mais ce ne serait plus un système de points matériels mais un simple point matériel.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes"> C.-à-d. l’ensemble des paramètres de position et de vitesse de tous les points à l'instant de définition de l'état, tous ces paramètres permettant d’y décrire le système.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> entre }}l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Expression_du_travail_élémentaire_de_la_force_dont_le_point_d’application_subit_le_vecteur_déplacement_élémentaire_correspondant_à_la_durée_élémentaire_de_développement_de_sa_puissance|expression du travail élémentaire de la force dont le point d'application subit le vecteur déplacement élémentaire correspondant à la durée élémentaire de développement de sa puissance]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - bis"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="infiniment proches"> Instants infiniment proches.</ref>, son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité volumique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance volumique <math>\,\mathcal{P}_{\text{vol},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{V,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t)</math>}} <math>= \sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité surfacique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle la grandeur scalaire {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance surfacique <math>\,\mathcal{P}_{\text{surf},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} =</math> <math>\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{S,\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right] dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des résultantes des forces extérieures s'exerçant sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) =</math>}} <math>\sum_k \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \left\lbrace \text{ext}_k \right\rbrace}(t)\;</math>» soit «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dM} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité linéique de résultante des forces extérieures s'exerçant en <math>\,M\,</math> selon «<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) = \dfrac{\overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, \text{ext}}}{d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{ext}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» dans laquelle {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\;</math>»}} est la puissance linéique <math>\,\mathcal{P}_{\text{lin},\,M\, \leftarrow\,\text{ext}}(t)\,</math> développée, à l'instant <math>\,t</math>, par le système de forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> en <math>\,M</math> ; le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \vec{f}_{\mathit{l},\,M\, \leftarrow\, \text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right] dt\;</math>».</ref>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« chaque point <math>\,\color{transparent}{M_i}\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> entre «<math>\;\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\;</math>» }}son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\,</math> étant aussi tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces extérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces extérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces extérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left[ \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}(t) \right] dt\;</math>» <ref name="travail des forces extérieures s'exerçant sur système continu de matière" />. === Définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un « système de matière » entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Cette notion est également présentée en considérant un système discret fermé quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2"> Pour l'existence de forces intérieures appliquées à un système, <math>\,N\,</math> doit être évidemment <math>\,\geqslant\,</math> à <math>\,2</math>.</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Cette notion }}reste applicable à un système continu de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}Le but étant de définir le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\,</math> du système » <ref name="états extrêmes" /> et l’« état final <math>\,\mathcal{F}\,</math> du même système » <ref name="états extrêmes" /> sachant que <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir }}le système des forces intérieures s'exerçant sur le système discret fermé de points matériels «<math>\;\left( \mathcal{S} \right) = \left\lbrace M_i\, \left( m_i \right) \right\rbrace_{i\,=\,1\,..\,N}\,</math> avec <math>\,N\,\in\, \mathbb{N}^{*}\, \backslash\, \left\lbrace 1\;,\; 2 \right\rbrace\;</math>» <ref name="N différent de 1 et 2" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant de définir le système des forces intérieures }}est défini comme « l'ensemble des forces <math>\,\vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t)\,</math> que chaque point <math>\,M_j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, exerce sur chaque point <math>\,M_i,\;\;i \neq j\,</math> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math>» <ref name="système de forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Forces,_principe_des_actions_réciproques#Système_des_forces_intérieures_s’exerçant_sur_un_système_de_points_matériels_fermé|système des forces intérieures s'exerçant sur un système de points matériels fermé]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant }}on définit d’abord <math>\bullet\;</math>le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math> entre les instants <math>\;t\;</math> et <math>\;t + dt\;</math> selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i} \right]\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}lequel s'écrit encore «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - ter"> C.-à-d. «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \mathcal{P}\! \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j} \right]\!(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> dans lequel, chaque point <math>\,M_i\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M_i}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math><ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière"> Dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale volumique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_volumiques|les deux types d'intégrales volumiques]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \mu(M')\;d \mathcal{V}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \mu(M)\;d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion tridimensionnelle <math>\,\left( \mathcal{V} \right)\,</math> de masse volumique <math>\,\mu(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)</math>, de volume <math>\,d \mathcal{V}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bivolumique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathcal{V}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathcal{V}_{M'})}}{d \mathcal{V}_{M'}\;d \mathcal{V}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iiint\limits^{M\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iiint_{M'\,\in\, \left( \mathcal{V} \right)} \vec{f}_{\text{bivol},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathcal{V}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathcal{V}_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( S \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale surfacique <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Vecteur_surface_élémentaire,_intégrale_surfacique,_volume_élémentaire_et_intégrale_volumique#Les_deux_types_d'intégrales_surfaciques_et_les_grandes_lignes_de_la_méthode_d'évaluation|les deux types d'intégrales surfaciques et les grandes lignes de la méthode d'évaluation]] » du chap.<math>17</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \sigma(M')\;d S_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \sigma(M)\;d S_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion surfacique <math>\,\left( S \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion surfacique <math>\,\left( S \right)\,</math> de masse surfacique <math>\,\sigma(M)\;</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( S \right)</math>, d'aire <math>\,d S_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bisurfacique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d S_M)\, \leftarrow\, M'\,(d S_{M'})}}{d S_{M'}\;d S_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\iint\limits^{M\,\in\, \left( S \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\iint_{M'\,\in\, \left( S \right)} \vec{f}_{\text{bisurf},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d S_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d S_M \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|20}}dans le cas d'un système continu fermé de matière d'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math>, le travail élémentaire du système de forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> est la somme continue <math>\,\big\{</math>correspondant à une intégrale curviligne <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Intégrale_sur_un_intervalle,_vecteur_déplacement_élémentaire_le_long_d'une_courbe_et_intégrale_curviligne#Les_deux_types_d'intégrales_curvilignes_sur_une_portion_de_courbe_continue|les deux types d'intégrales curvilignes sur une portion de courbe continue]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] »<math>\big]\big\}\,</math> des travaux élémentaires des forces intérieures que chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M',\; dm = \lambda(M')\;d \mathit{l}_{M'} \right\rbrace\,</math> de l'expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> exerce sur chaque pseudo-point <math>\,\left\lbrace M,\; dm = \lambda(M)\;d \mathit{l}_M \right\rbrace\,</math> de cette même expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)</math> <math>\,\big\{</math>un pseudo-point d'une expansion linéique <math>\,\left( \Gamma \right)\,</math> de masse linéique <math>\,\lambda(M)\,</math> est un élément de matière, centré en <math>\,M\,\in\, \left( \Gamma \right)</math>, de longueur <math>\,d \mathit{l}_M\big\}\,</math> {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t)\;</math>»}} soit «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}} \left\lbrace \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right\rbrace \cdot \overrightarrow{dM}\;</math>» que l'on peut encore écrire selon {{Nobr|«<math>\;\delta W_{\text{int}} =</math>}} <math>\left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \overrightarrow{dF}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}(t) \right] \cdot \vec{V}_M(t) \right\rbrace\,dt\;</math>» dans lequel, chaque point <math>\,M\,</math> décrivant une trajectoire particulière <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\;\vec{V}_{M}(t)\big]\,</math> est tangent à <math>\,\left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> ou, en définissant la densité bilinéique de résultante des forces intérieures que <math>\,M'\,</math> exerce sur <math>\,M\,</math> par {{Nobr|«<math>\;\vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)</math>}} <math>= \dfrac{\overrightarrow{d^2F}_{\!M\,(d \mathit{l}_M)\, \leftarrow\, M'\,(d \mathit{l}_{M'})}}{d \mathit{l}_{M'}\;d \mathit{l}_M}(t)\;</math>», «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace\,dt\;</math>» ; le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» se calcule par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \displaystyle\int\limits^{M\,\in\, \left( \Gamma \right)}_{\begin{array}{c} \vec{V}_M\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_M \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\end{array}} \left[ \displaystyle\int_{M'\,\in\, \left( \Gamma \right)} \vec{f}_{\text{bilin},\,M\, \leftarrow\, M'}(t)\; d \mathit{l}_{M'} \right] \cdot \vec{V}_M(t)\; d \mathit{l}_M \right\rbrace dt\;</math>».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord }}<math>\bullet\;</math>le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le travail des forces intérieures }}en « ajoutant tous les travaux élémentaires des forces intérieures pour <math>\,t\,\in\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\;</math>» correspondant à une intégration sur un intervalle soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le but étant on définit d’abord <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{M_i}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,M_j}(t) \cdot \vec{V}_{M_i}\!(t) \right] \right\rbrace dt\;</math>» <ref name="travail des forces intérieures s'exerçant sur un système continu de matière" />. {{Al|5}}<u>Remarque 1</u> : Le travail élémentaire des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures }}peut aussi être défini à partir de la puissance instantanée développée par les forces intérieures s’exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="définition de la puissance développée par les forces intérieures"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Définition_2|définition]] (de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : Le travail élémentaire des forces intérieures peut aussi être défini }}selon «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» <ref name="travail élémentaire d'une force appliquée à un point matériel - tetra"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée élémentaire dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : }}le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants de l'« état initial <math>\,\mathcal{I}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> et de l’« état final <math>\,\mathcal{F}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}s'obtenant en ajoutant tous les travaux élémentaires de <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}peut se calculer à partir de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 1 : le travail des forces intérieures s’exerçant sur le système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> peut se calculer }}par «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>». {{Al|5}}<u>Remarque 2</u> : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math><ref name="définition du référentiel Rj"> Le référentiel «<math>\;\mathcal{R}_j\;</math>» est le référentiel lié à <math>\,M_j\,</math> en translation par rapport au référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière"> Voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#cite_note-puissance_des_forces_intérieures_s'exerçant_sur_système_continu_de_matière_-_ter-55|⁵⁵]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> dans le référentiel <math>\,\color{transparent}{\mathcal{R}}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}_{\text{int}}(t)}</math> }}<math>= \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Autres_expressions_équivalentes|autres expressions équivalentes]] de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left\lbrace \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \mathcal{P}_{/\,\mathcal{R}_j}\!\! \left[ \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt = \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj"> Le point <math>\,M_i\,</math> décrivant dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_j</math> <math>\,\big[</math>lié à <math>\,M_j\,</math> et en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\big]\,</math> une trajectoire particulière <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}\;</math> entre les deux instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>», son vecteur déplacement élémentaire <math>\,\overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}</math> <math>\,\big[</math>ainsi que son vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t)\big]\,</math> étant tangent à <math>\,\left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j}</math>.</ref> ou <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail élémentaire des forces intérieures «}}<math>\;\delta W_{\text{int}} = \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right]\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : De l'expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : }}de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}\,</math> «<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{i\,=\,1}^{i\,=\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="puissance des forces intérieures exercées sur un système de matière" />{{,}} <ref name="définition du référentiel Rj" />{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures s'exerçant sur système continu de matière" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 1^ère conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;\delta W_{\text{int}} = \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>», nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail élémentaire des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail élémentaire des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,>\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la puissance des forces intérieures }}à partir de la « 2^ème conclusion de la remarque 1 » ci-dessus «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt\;</math>» nous en déduisons l'expression du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la }}travail des forces intérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» <ref name="états extrêmes" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}} = \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}(t) \right] \right\rbrace\,dt\;</math><ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 2 : de la 2^ème expression de la travail des forces intérieures «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;dt = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{int}}}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2} \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \left\lbrace \sum\limits_{\begin{array}{c} \vec{V}_{\!M_i \,/\,\mathcal{R}_j}\, \text{tangent}\\ \text{à}\, \left[ \left( \mathcal{T}_i \right)_{\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} \right]_{/\,\mathcal{R}_j} \end{array}}^{i\,=\,1\,..\,N} \left[ \sum\limits_{j\,=\,1\,..\,N}^{j\,\neq\,i} \vec{F}_{\!M_i\, \leftarrow\, M_j}(t) \cdot \overrightarrow{dM_i}_{/\,\mathcal{R}_j} \right] \right\rbrace\;</math>» <ref name="trajectoire de Mi dans le référentiel Rj" />. {{Al|5}}<u>Remarque 3</u> : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nulle <ref name="puissance des forces intérieures en général non nulle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (1^ère conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu"> Système discret de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique"> Le système se comporte donc comme un solide au sens de la mécanique.</ref>{{,}} <ref name="puissance des forces intérieures nulle pour un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Conséquences_diverses|conséquences diverses]] des expressions de la puissance des forces intérieures appliquées à un système de matière relativement à un référentiel d'étude (3^ème conséquence) » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : La puissance des forces intérieures appliquées à un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{int}}(t) = 0\;\;\forall\;t\,</math> pour <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail élémentaire des forces intérieures agissant sur un système <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> le devient }}«<math>\;\delta W_{\text{int}} = 0\;\;\forall\;\left[ t\,,\,t + dt \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> » <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque 3 : }}le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> est en général non nul mais <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> }}le devient pour un système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> soit <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque 3 : le travail des forces intérieures agissant sur un système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> sur <math>\,\color{transparent}{\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]}\,</math> le devient }}«<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = 0\;\;\forall\;\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\,t_{\mathcal{F}} \right]\;</math> si le système <math>\;\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="discret ou continu" /> est indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> ». === Théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Partant du théorème de la puissance cinétique appliqué, à l'instant <math>\,t</math>, à un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Énoncé|énoncé]] du théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> dans lequel <math>\,\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math> est la puissance cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{ext}}(t)\,</math> la puissance développée par les forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) = \mathcal{P}_{\text{ext}}(t) + \mathcal{P}_{\text{int}}(t)}\;</math>» dans lequel }}<math>\,\mathcal{P}_{\text{int}}(t)\,</math> celle développée par les forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la même date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on multiplie par <math>\,dt\,</math> pour obtenir la forme élémentaire du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir la forme élémentaire }}entre «<math>\;t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\;</math>» où <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> est la variation élémentaire d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{ext}}\,</math> le travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on multiplie par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}}\;</math>» où }}<math>\,\delta W_{\text{int}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur le même <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique }}<math>\bullet\;</math>on intègre entre <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique appliqué au « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> quelconque » <ref name="système de matière quelconque" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir le théorème de l’énergie cinétique }}entre «<math>\;t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\;</math>» dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> galiléen soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec <math>\,\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\,</math> variation d'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\,</math> }}sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> le travail des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> le travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec }}<math>\,W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> celui des forces intérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Partant du théorème de la puissance cinétique <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>on intègre entre <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{I}}}\,</math> et <math>\,\color{transparent}{t_{\mathcal{F}}}\,</math> pour obtenir «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec <math>\,\color{transparent}{W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\,</math> celui des forces intérieures }}sur le même <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>. {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}«<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme du travail élémentaire des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{dK_{\left( \mathcal{S} \right)}}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{int}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}} + \delta W_{\text{int}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière quelconque » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme du travail des forces extérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme }}de celui des forces intérieures appliquées au même système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale à la somme de celui des forces intérieures }}sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{int},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> étant nul quel que soit le mouvement du système » <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Définition_du_travail_du_système_des_forces_intérieures_appliquées_à_un_«_système_de_matière_»_entre_un_état_initial_et_un_état_final|définition du travail du système des forces intérieures appliquées à un système de matière entre un état initial et un état final]] (remarque 3) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul }}<math>\Rightarrow</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide sous sa forme élémentaire ou <br>{{Al|17}}{{Transparent|Le travail des forces intérieures appliquées à un système de matière indéformable étant nul <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide }}sur une durée finie : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sous forme élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right)} = \delta W_{\text{ext}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système de matière indéformable <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme, le théorème de l'énergie cinétique }}est utilisable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système de matière en translation » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière"> Système fermé discret fermé de points matériels ou continu de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique.</ref> en translation » <ref name="système en translation"> Un « système de matière en translation » ne se déformant pas peut aussi être qualifié de « solide » au sens de la mécanique.</ref>, tous les points ont le même vecteur vitesse <math>\,\vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> égal à celui du C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> <math>\,G\,</math> du système, d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \vec{V}_{\!G}(t)\;dt = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <ref name="signification du travail élémentaire développé par les forces extérieures appliquées à un système en translation"> Dans cette 3^ème expression «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» est aussi « le travail élémentaire qui serait développé, sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\,t + dt \right],</math> dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}</math>, par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans <math>\,\mathcal{R}\;</math>» <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», ce dernier s'obtenant par application du théorème du mouvement du C.D.I. <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Principe_fondamental_de_la_dynamique_et_théorème_de_la_résultante_cinétique#Énoncé_du_théorème_(dynamique_newtonienne)|énoncé du théorème (dynamique newtonienne)]] du mouvement du C.D.I. d'un système » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> correspondant aussi à l'application de la r.f.d.n. <math>\,\big(</math>relation fondamentale de la dynamique newtonienne<math>\big)\,</math> au point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>» sur lequel s'exercerait la résultante dynamique<math>\big\}</math>.</ref> dans laquelle «<math>\;\vec{F}_{\text{ext}}(t)\;</math> est la résultante <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}«}}dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» <ref> Voir les paragraphes « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_en_translation_»|cas d'un système de matière en translation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » et « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissancce développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire des forces intérieures s'exerçant sur le système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\delta W_{\text{int},\,\text{syst. en transl.}} = 0\;</math>» <ref name="système en translation" />{{,}} <ref name="nullité du travail des forces intérieures appliquées à un solide" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}<math>\bullet\;</math>de la variation élémentaire de l'énergie cinétique du système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en transl.}}\;</math>» avec «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\text{syst. en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="signification de l'énergie cinétique d'un système en translation"> Dans cette 2^ème expression «<math>\;K_{\text{syst. en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\text{syst. en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>» est aussi « l'énergie cinétique newtonienne du point fictif <math>\,G\, \left( m_{\text{syst. en transl.}} \right)\,</math> C.D.I. du système en translation dans {{Nobr|<math>\,\mathcal{R}\,</math>»}} <math>\,\big\{</math>ceci est en accord avec le fait que le mouvement d'un système en translation est déterminé par le mouvement du point fictif « C.D.I. <math>\,G\, \left( m_{\text{syst.}} \right)\;</math>», tous les points du système en translation ayant même vitesse que le C.D.I. <math>\,G\big\}</math>.</ref> l'énergie cinétique <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, dans le cadre de la cinétique newtonienne <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en translation"> Voir le paragraphe « énergie cinétique dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Cas_d'un_système_en_translation|cas d'un système en translation]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> en translation », reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique }}appliqué à un système de matière quelconque <ref name="système de matière quelconque" />{{, }} <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un système de matière quelconque dans un référentiel galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> nous obtenons : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans un référentiel <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière en translation <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> étant le C.D.I. <ref name="C.D.I."> Centre D'Inertie.</ref> de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> et <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire est égale au travail élémentaire «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =}</math> }}la résultante dynamique s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\,</math> ou <math>\,dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste"> Applicable sous cette forme dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste.</ref> avec <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="système fermé de matière" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en translation dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière en translation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système <ref name="système fermé de matière" /> en translation <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique d’un système en translation }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} =</math> <math>K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail effectué par la résultante dynamique <math>\,\vec{F}_{\text{ext}}(t)\,</math> appliquée au système <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail effectué par la résultante dynamique }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \vec{F}_{\text{ext}}(t) \cdot \overrightarrow{dG}(t)\;</math>» <math>\,\big[G\,</math> C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <br>{{Al|208}}de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} = W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}}(t) \right]^2 = \dfrac{1}{2}\;m_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.}} \left[ \vec{V}_{\!G}(t) \right]^2\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Ce théorème <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. mais il doit bien sûr être connu <ref> Sans doute ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. car on considère usuellement un système de matière en translation comme un point matériel <math>\,\big(</math>le C.D.I. <math>\,G\,</math> du système<math>\big)\,</math> sur lequel s'exerce la résultante dynamique du système et, selon ce point de vue, le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un système de matière en translation n'est rien d'autre que le théorème de l'énergie cinétique <math>\;\big(</math>sous forme élémentaire ou sur durée finie<math>\big)\;</math> appliqué à un point matériel, lequel est, quant à lui, au programme <math>\;\ldots</math></ref>. === Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un « système (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe » dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final === {{Al|5}}<u>Préliminaire</u> : Un « système <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » peut, a priori, se déformer <ref name="système en rotation autour d'un axe"> Par exemple, en se dilatant, c.-à-d. que chaque point du système, en plus de sa rotation autour d'un axe fixe, s'éloigne radialement de cet axe <math>\,\big(</math>la vitesse d'éloignement pouvant être différente d'un point à un autre<math>\big)\,</math> mais dans ce cas il ne s'agit pas d'une rotation « pure » <math>\;\ldots</math> <br>{{Al|3}}Pour maintenir une même vitesse angulaire à un instant <math>\,t\,</math> pour tous les points d'un « système déformable », il faut que le mouvement orthoradial de chacun des points soit corrélé au mouvement radial correspondant, avec absence de mouvement axial, c.-à-d. que, pour deux points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> tels que la droite <math>\,M_iM_j\,</math> recoupe l'axe <math>\,\Delta\,</math> perpendiculairement en <math>\,H_{i,\,j}</math>, <math>\,\big[</math>les points <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> ayant donc même abscisse angulaire <math>\,\theta_{i,\,j}(t)\big]\,</math> on ait <math>\,\dot{\theta}_{i,\,j}(t) = \overline{\Omega}(t)</math> <math>\,\big[</math>donc indépendant de <math>\,\left( i\,,\, j \right)\big]\,</math> pour tout instant <math>\,t\,</math> et pour tout couple <math>\,\left( M_i\,,\,M_j \right)\,</math> dont les éléments ont même abscisse angulaire, ces conditions étant très contraignantes sont quasiment jamais réalisées naturellement <math>\;\ldots</math></ref>, toutefois, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Préliminaire : un « système <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>fermé<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> en rotation autour d'un axe fixe » }}il est, en pratique, indéformable et est alors qualifié de « solide » au sens de la mécanique ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Préliminaire : }}l’exposé ci-dessous s'applique à un système discret <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de points matériels ou un système continu <math>\,\big(</math>fermé<math>\big)\,</math> de matière d'expansion tridimensionnelle, surfacique ou linéique. {{Al|5}}<u>Exposé</u> : Dans un « système de matière <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\;</math><ref name="système fermé de matière" /> indéformable, en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe <math>\,\Delta</math>, fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen », <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}tous les points ont le même vecteur rotation instantanée <math>\,\vec{\Omega}(t) = \overline{\Omega}(t)\;\vec{u}_{\Delta}\,</math> à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\big[\vec{u}_{\Delta}\,</math> étant le vecteur unitaire orientant l'axe de rotation <math>\,\Delta\,</math> et <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\big[}</math>}}autour de cet axe de rotation <math>\,\Delta\big]\,</math> d’où les expressions <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe"> Expression ne nécessitant pas que l'axe <math>\,\Delta\,</math> soit fixe, la fixité de l'axe dans un référentiel intervenant quand ce dernier est galiléen et quand on utilise l'un des théorèmes fondamentaux de la dynamique de rotation des systèmes <math>\,\big\{</math>par exemple le théorème de l'énergie cinétique établi dans ce paragraphe mais le traavail élémentaire déveeloppé par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}</math>, «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>» ne nécessite pas que <math>\,\Delta\,</math> soit fixe<math>\big\}</math>.</ref>{{,}} <ref name="travail élémentaire des forces extérieures s'exerçant sur un système en rotation"> Voir le paragraphe « puissance développée par le système des forces extérieures dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d’un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> {{Nobr|«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)</math>}} <math>= \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;</math>» et le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Puissance_et_travail_d'une_force#Définition_du_travail_élémentaire_d'une_force_connaissant_sa_puissance_développée_à_l'instant_t_et_la_durée_élémentaire_dt_du_développement_de_cette_dernière|définition du travail élémentaire d'une force connaissant sa puissance développée à l'instant t et la durée dt du développement de cette dernière]] » du chap.<math>14</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\delta W\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right] = \mathcal{P}\!\left[ \vec{F}_{M_i\,\leftarrow\,\text{ext}}(t) \right]\;dt\;</math>» puis, en faisant la somme membre à membre de façon à définir le travail élémentaire du sytème des forces extérieures s'exerçant sur le système en rotation «<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{P}_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}}(t)\;dt\;</math>».</ref> où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> est le moment <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» ou, <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>du travail élémentaire }}avec «<math>\;\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta\;</math>» dans lequel <math>\,\theta(t)\,</math> est l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t</math>, la réécriture <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}du travail élémentaire effectué par le système des forces extérieures s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>,«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> et <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}<math>\bullet\;</math>de la variation de l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}}\;</math>» avec, l'énergie cinétique, à l'instant <math>\,t</math>, de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation autour de <math>\,\Delta\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le cadre de la cinétique newtonienne «<math>\;K_{\text{syst. en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique newtonienne d'un système en rotation autour d'un axe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d’un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d’un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> avec «<math>\;J_\Delta\,</math> le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}relativement à <math>\,\Delta\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe"> Voir la notion de moment d'inertie d'un système discret ou continu dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Application_à_un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe#Application_au_cas_d'un_«_système_fermé_de_matière_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe_«_quelconque_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|application d'un système fermé de matière en rotation autour d'un axe Δ fixe quelconque dans un référentiel d'étuide galiléen]] » du chap.<math>6</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> d'où, en cinétique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» ; <br>{{Al|16}}{{Transparent|Exposé : Dans un « système de matière <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\;</math> indéformable, en rotation }}reportant ces expressions dans le théorème de l'énergie cinétique <math>\,\big(</math>sous forme élémentaire<math>\big)\,</math> appliqué à un solide <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_l'énergie_cinétique_appliqué_à_un_«_solide_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen_entre_un_état_initial_et_un_état_final|théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen entre un état initial et un état final]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> : {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sous forme élémentaire) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique d'un système }}sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]</math>, dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique }}est égale au travail élémentaire des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au }}«<math>\;\delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta\;</math>» <ref name="axe non nécessairement fixe" /> avec «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\;</math>» et «<math>\;\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie cinétique est égale au « }}l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\;</math>» <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = \delta W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <math>\,\overline{\Omega}(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{dK_{\text{syst. en rot.}} = \dfrac{d}{dt} \left\lbrace \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t) \right\rbrace dt}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}<math>= \dot{\theta}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} {{Al|5}}Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s'obtient en intégrant les deux membres du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire sur la durée <math>\,\Delta t\,</math> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient }}avec <math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} dK_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}}) = \Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}\;</math>» la variation d'énergie cinétique <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec }}<math>\bullet\;</math>«<math>\;\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \delta W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» le travail du système de forces extérieures appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" /> autour <math>\,\Delta\,</math> fixe dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> encore égal à «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>avec <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, s'exerçant sur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie <math>\,\color{transparent}{\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}}\,</math> s'obtient avec <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à l'instant <math>\,t\,</math> et <math>\,\theta(t)\,</math> l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math> ; {{Théorème|titre=Théorème de l'énergie cinétique (sur une durée finie) appliqué à un « système de matière (indéformable) en rotation »|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie cinétique d’un système de matière <ref name="discret ou continu" /> indéformable <ref name="solide au sens de la mécanique" /> <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> en rotation <ref name="système en rotation autour d'un axe" />, sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]</math>, autour d'un axe fixe <math>\,\Delta</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie cinétique }}dans un référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{F}}) - K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation }}est égale au travail des forces extérieures appliquées à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> entre les dates <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale }}au travail du moment résultant dynamique scalaire par rapport à <math>\,\Delta</math>, <math>\,\mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\,</math> appliqué à <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation est égale au travail du }}«<math>\;W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \displaystyle\int_{t_{\mathcal{I}}}^{t_{\mathcal{F}}} \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[\theta(t)\,</math> étant l'abscisse angulaire repérant <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|17}}{{Transparent|La variation est égale au travail du «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{ext},\,\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en transl.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = \mathcal{M}_{\!\Delta,\,\text{ext}}(t)\;d \theta(t)}\;</math>» <math>\,\color{transparent}{\big[\theta}\,</math> étant l'abscisse angulaire }}à la date <math>\,t\big]</math> <br>{{Al|5}}soit, mathématiquement, «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}} = W_{\text{ext},\,\text{syst. en rot.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>» <ref name="théorème appliqué à un point ou un solide en dynamique newtonienne ou relativiste" /> avec, <br>{{Al|5}}{{Transparent|soit, }}en dynamique newtonienne, «<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)\;</math>» <math>\,\big[J_\Delta\,</math> étant le moment d'inertie de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> par rapport à <math>\,\Delta\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|7}}{{Transparent|soit, en dynamique newtonienne, «<math>\;\color{transparent}{K_{\left( \mathcal{S} \right),\,\text{en rot.}}(t) = 2\;J_\Delta\;\overline{\Omega}^2(t)}\;</math>» <math>\,\big[</math>}}<math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> la vitesse angulaire instantanée de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\big]</math>.}} == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] <math>\,\big(</math>photographié ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_(non_amorti)|mise en équation différentielle du mouvement du pendule de torsion (non amorti)]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Théorème_de_la_puissance_cinétique_appliqué_à_un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_autour_d'un_axe_Δ_fixe_»_dans_un_référentiel_d'étude_galiléen|théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière (indéformable) en rotation autour d'un axe Δ fixe dans un référentiel d'étude galiléen]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. {{Al|5}}Ci-contre le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec deux fils de torsion identiques de même constante de torsion «<math>\;C\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec }}positions de masselottes identiques <math>\,\big(</math>sauf pour la couleur<math>\big)\,</math> de part et d'autre du point <math>\,C\,</math><ref name="distinction entre point d'attache des fils sur la tige et constante de torsion des fils"> On accepte la même notation pour le point d'attache des deux fils sur la tige et la constante de torsion de ces derniers tant qu'il n'y a pas d'ambiguïté <math>\,\big(</math>ce qui ne devrait jamais arriver compte-tenu du fait que ces deux grandeurs sont de nature différente<math>\big)</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Ci-contre le pendule de torsion étudié <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>non amorti<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> avec positions de masselottes identiques }}<math>\,\big(C\,</math> point d’attache des deux fils de torsion sur la tige<math>\big)</math> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre <math>\,\big(</math>en absence de masselottes<math>\big)\,</math> diffère du « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] » de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici l'extrémité supérieure <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil de torsion supérieur est mobile au lieu d'être fixe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur étant dans les deux fixe et <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre }}<math>\bullet\;</math>ici la torsion initiale est fournie par rotation propre de <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> d'un angle «<math>\;2\,\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>repéré sur le cercle gradué lié à <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}</math>, position de référence du cercle gradué<math>\big)\,</math> <math>\Rightarrow</math> en pratique, après quelques oscillations, la tige <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>ici }}acquiert la position d'équilibre repérée par l'angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>voir vérification ci-dessous<math>\big)\,</math> alors que <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}dans le [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|pendule du chap.7]] la torsion initiale est fournie par rotation de la tige d'un angle «<math>\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big(</math>également repéré <br>{{Al|5}}{{Transparent|remarque : le pendule ci-contre <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>dans le pendule du chap.7 }}par rapport à <math>\,O_{\text{inf}}\big)</math>, la position d'équilibre de la tige étant repérée par l'angle nul ; {{Al|5}}<u>vérification de la position d'équilibre de la tige dans le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}orientant les deux fils de torsion du bas vers le haut, quand la tige acquiert la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion supérieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche"> Une hélice est « droite » si le point tourne sur la gauche <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique direct ou encore dans le sens antihoraire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée et <br>{{Al|31}}elle est « gauche » si le point tourne sur la droite <math>\,\big(</math>c.-à-d. dans le sens trigonométrique indirect ou encore dans le sens horaire<math>\big)\,</math> quand il subit une translation dans le sens <math>\,+\,</math> de l’axe du cylindre sur lequel l'hélice est tracée <br>{{Al|3}}<math>\,\big[</math>revoir aussi la distinction « hélices gauche ou droite » dans le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Mouvement_de_particules_chargées_dans_des_champs_électrique_et_magnétique_:_Cas_particulier_d'un_champ_magnétostatique_uniforme#Nature_hélicoïdale_uniforme_du_mouvement_de_la_particule|nature hélicoïdale uniforme du mouvement de la particule]] » du chap.<math>24</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]</math>.</ref> d'un angle «<math>\;\theta_1 - 2\;\theta_1 = -\theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil"> L'angle de torsion du fil qui intervient dans le vecteur moment du couple de torsion est l'angle que fait l'extrémité mobile relativement à l'extrémité maintenue fixe même si cette extrémité est fixée avec torsion initiale comme c'est le cas pour le fil supérieur <math>\,\big\{</math>on peut vérifier que cette définition correspond bien au schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » car {{Nobr|«<math>\;\overrightarrow{A_0B_0}\;</math>»}} est lié à l'extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> du fil supérieur et «<math>\;\overrightarrow{AB}\;</math>» à l’extrémité mobile <math>\,C\,</math> et il en est de même pour l'éventuel fil de torsion inférieur<math>\big\}</math>.</ref> par rapport à son extrémité <math>\,O_{\text{sup}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion supérieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} = -C \left( -\theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}<math>\bullet\;</math>le fil de torsion inférieur étant tordu suivant une hélice droite <ref name="hélice droite ou gauche" /> d’un angle «<math>\;\theta_1 - 0 = \theta_1\;</math>» <ref name="angle de torsion d'un fil" /> par rapport à l’extrémité <math>\;O_{\text{inf}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|2}}{{Transparent|vérification <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le fil de torsion inférieur }}il exerce un couple de torsion sur la tige de vecteur moment «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = -C \left( \theta_1 \right) \vec{u}_{CO_{\text{sup}}} = -C\;\theta_1\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification }}la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur la tige vérifiant «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{tors. sup.}} + \vec{\Gamma}_{\text{tors. inf.}} = \vec{0}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|vérification la somme des vecteurs moments des actions extérieures non nuls s'exerçant sur }}la tige est effectivement en équilibre dans cette position <math>\;\ldots</math> {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <math>\,\big\{</math>ensemble solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC"> L'axe <math>\,\Delta_C\,</math> est le support des fils de torsion.</ref> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemb}}le solide étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles"> Repérée par rapport à la position de l'extrémité inférieure <math>\,O_{\text{inf}}\,</math> du fil de torsion inférieur.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et masselottes » du pendule ci-dessus à droite : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>ensemble solide étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des masselottes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des masselottes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des masselottes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{masselotte}}}(t) \wedge m_{\,\text{masselotte}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur"> L'angle de torsion du fil supérieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 2\;\theta_1\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation"> Il s'agit de l'application de la puissance instantanée développée par un système de forces extérieures sur un solide en rotation autour d'un axe fixe <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_d'un_«_système_de_matière_(indéformable)_en_rotation_»|cas d'un système de matière (indéformable) en rotation]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> quand le système de forces extérieures est équivalent à un couple <math>\,\big[</math>c.-à-d. un système dont la résultante est nulle et dont le moment résultant scalaire relativement à l'axe de rotation définit le moment scalaire du couple<math>\big]</math>.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur"> L'angle de torsion du fil inférieur étant égal à «<math>\;\theta(t) - 0 = \theta(t)\;</math>» <math>\,\big[</math>voir la règle d'algébrisation des angles de torsion donnée en note « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cin%C3%A9tique_:_Pendule_de_torsion#cite_note-angle_de_torsion_d'un_fil_-_bis-16|¹⁶]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[M%C3%A9canique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> à l'instant <math>\,t</math>.</ref>, la puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\,</math> par ce couple étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur l'ensemble <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Énergie_cinétique_du_solide_en_rotation#Énergie_cinétique_newtonienne_d'un_«_système_de_points_en_rotation_»_autour_d'un_axe_Δ_fixe,_de_vecteur_rotation_instantanée_connu|énergie cinétique newtonienne d'un système de points en rotation autour d'un axe Δ fixe, de vecteur rotation instantanée connu]] » du chap.<math>10</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;</math> est le moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + masselottes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et masselottes » en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_C\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + masselottes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre"> Ce qui suppose que <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> est non identiquement nulle <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\theta(t)\,</math> n'est pas une constante c.-à-d. que le solide n'est pas à sa position d'équilibre.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à droite «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})}\;\theta_1\;</math>», équation différentielle linéaire <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants sans terme du 1^er ordre hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|3}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du pendule de torsion ci-dessus à droite « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_non_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition non énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] », la présence d'un 2^nd membre constant signifiant que le paramètre caractérisant l'oscillateur dans l'espace n'est pas nul à l'équilibre.</ref> de rotation ; {{Al|5}}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Conséquence_«_le_pendule_de_torsion_(non_amorti)_est_un_oscillateur_harmonique_non_amorti_de_rotation_»|conséquence : le pendule de torsion (non amorti) est un oscillateur harmonique non amorti de rotation]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » ; [[File:Pendule de torsion amorti - vue de dessus.png|thumb|300px|Vue de dessus d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti par substitution d'ailettes planes aux masselottes fixées sur la tige <math>\,\big(</math>les fils de torsion supérieur et inférieur <math>\,\perp\,</math> au plan de la figure ne peuvent y être représentés<math>\big)</math>]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> du }}<math>\big(</math>voir vue de dessus partielle représentée ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule de torsion amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre étant écarté initialement comme celui de début de paragraphe, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, le pendule ci-contre étant écarté initialement }}la tige acquiert donc une position d'équilibre repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}l'ensemble « tige et ailettes » étant un solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="définition de DeltaC" /> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant }}le solide est, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\;</math><ref name="repérage des angles" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures l'ensemble « tige et ailettes » étant le solide est, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}les actions extérieures sont <math>\bullet\;</math>le poids de la tige et les tensions des fils de torsion porté(e)s par <math>\,\Delta_C\,</math> de moments <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}scalaires relativement à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}les poids des ailettes <math>\,\parallel\,</math> à <math>\,\Delta_C\,</math> de moments vectoriels relativement à <math>\,C\,</math> «<math>\,\overrightarrow{CG_{\text{ailettte}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g}\,\perp\,</math> au plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)\;</math>» d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les poids des ailettes <math>\,\color{transparent}{\parallel}\,</math> à <math>\,\color{transparent}{\Delta_C}\,</math> }}de moments scalaires par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> nuls <ref> La définition du moment scalaire du poids d'une des ailettes par rapport <math>\,\Delta_C\,</math> étant «<math>\;\left[ \overrightarrow{CG_{\text{ailette}}}(t) \wedge m_{\,\text{ailette}}\,\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_C}\;</math>» correspond à un produit mixte nul, les trois vecteurs étant contenus dans le plan vertical <math>\,\big(</math>tige, <math>\,\Delta_C\big)</math>, voir le paragraphe « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)/Produit_scalaire,_produit_vectoriel_et_produit_mixte#Définition_intrinsèque_du_produit_mixte_de_trois_vecteurs|définition intrinsèque du produit mixte de trois vecteurs]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Outils_mathématiques_pour_la_physique_(PCSI)|Outils mathématiques pour la physique (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> exerce sur le solide modélisée par un couple de torsion de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion inférieur }}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" />, la puissance développée par ce couple à la date <math>\,t\,</math> étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>l'action que le fil de torsion supérieur }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="puissance développée par un couple sur un solide en rotation" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu dans lequel se déplace le [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] exercent sur les ailettes, modélisées par un <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> }}couple <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t)\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Couple_de_frottement_fluide_linéaire_agissant_sur_le_pendule_par_l’intermédiaire_des_ailettes|couple de frottement fluide linéaire agissant sur le pendule par l'intermédiaire des ailettes]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple }}<math>\big[H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>supposé linéaire<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> couple <math>\big[</math>}}et du fluide sur lequel frottent les ailettes<math>\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide }}la puissance instantanée développée par le couple de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures les actions extérieures sont <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement fluide la puissance instantanée }}selon «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\overline{\Omega}^2(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique l'énergie cinétique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «}}<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\,</math> est le moment d'inertie du solide « tige + ailettes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) \right]\,</math> soit, après développement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique la puissance cinétique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, se définit selon «<math>\;\color{transparent}{\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t)}</math>}}<math>\;= J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) de l'ensemble « tige et ailettes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide « tige et ailettes » en rotation autour de <math>\,\Delta_C\,</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{tige + ailettes}}(t) = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t) + \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t) + \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, par report des expressions établies ci-dessus, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;\dot{\theta}(t) - C\; \theta(t)\;\dot{\theta}(t) - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -C \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right] - C\; \theta(t) - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» ou, après simplification, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\ddot{\theta}(t) = -2\;C\; \theta(t) + 2\;C\;\theta_1 - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application }}du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étudié «<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta_1\;</math>», équation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}différentielle linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> à cœfficients constants hétérogène à excitation constante c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du pendule étudié « }}équation différentielle d'un <u>oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><ref name="1ère définition d'un oscillateur harmonique" /> de rotation ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>résolution de l'équation différentielle du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\;\big(</math><u>amorti</u><math>\big)\;</math><u>représenté ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : résolution }}revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Loi_horaire_de_position_angulaire_du_pendule_de_torsion_amorti|loi horaire de position angulaire du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ». == Établissement de l’équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique == [[File:Pendule pesant non amorti à un degré de liberté - forces extérieures.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures]] {{Al|5}}L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti à un degré de liberté <math>\,\big(</math>schématisé ci-contre<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}a été établie par application du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_non_amorti_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_du_moment_cinétique_scalaire|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant non amorti (à un degré de liberté) par application du théorème du moment cinétique scalaire]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|L’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\color{transparent}{\theta(t)}\,</math> }}on se propose de la retrouver par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />. {{Al|5}}Ci-contre schéma de face du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié <math>\,\big(</math>non amorti<math>\big)\,</math> avec une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] idéale <ref name="liaison idéale"> C.-à-d. dans laquelle on peut négliger les frottements solides.</ref> du solide en rotation autour de l’axe horizontal <math>\,\Delta_O\;</math><ref name="liaison pivot du pendule"> Pour plus de détails voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Présentation_du_pendule_pesant_(non_amorti)_«_P.P.(N.A.)_»|présentation du pendule pesant (non amorti) P.P.(N.A.)]] (liaison pivot avec le point O) » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}<u>remarque</u> : le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Non Amorti.</ref> à un degré de liberté ayant un mouvement de rotation imposé par la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] du solide avec l'axe <math>\,\Delta_O</math>, <br>{{Al|11}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté }}son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,O</math>, d'axe <math>\,\Delta_O\,</math> orienté par le vecteur unitaire «<math>\;\vec{u}_{\Delta_O}\;</math>» et <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. <math>\,\color{transparent}{G}</math> a une trajectoire circulaire de centre <math>\,\color{transparent}{O}</math>, }}de rayon «<math>\;\mathfrak{a}\;</math>» avec, à l'instant <math>\,t</math>, <br>{{Al|18}}{{Transparent|remarque : le P.P.N.A. à un degré de liberté son C.D.I. }}<math>G\,</math> repéré par son abscisse angulaire «<math>\;\theta_G(t) = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\overrightarrow{OG}(t) \right\rbrace} = \widehat{\left\lbrace \vec{u}_z\,,\,\vec{u}_r(t) \right\rbrace}\;</math>» <ref name="noté theta"> Noté «<math>\;\theta(t)\;</math>» par la suite en absence d'ambiguïté.</ref> ; {{Al|5}}<u>Actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant, à l'instant <math>\,t</math>, d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, }}de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = \left[ \overrightarrow{OG}(t) \wedge m\;\vec{g} \right] \cdot \vec{u}_{\Delta_O} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids"> Le moment vectoriel du poids par rapport à <math>\,O\,</math> «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)\;</math>» a établi au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_liaison_sphérique_et_avec_les_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b),_établissement_de_la_nature_plane_du_mouvement_du_C.D.I._G_du_P.P.(N.A.)|dans le cas d'une liaison sphérique et avec les C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), établissement de la nature plane du mouvement du C.D.I. G du P.P.(N.A.)]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] », soit «<math>\;\overrightarrow{\mathcal{M}}_{\!O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta_G(t) \right]\;\vec{u}_{\varphi_G}(t)\;</math>» avec <math>\,\vec{u}_{\varphi_G}\,</math> s'identifiant à <math>\,\vec{u}_{\Delta_O}</math>. <br>{{Al|3}}On pouvait aussi déterminer directement le moment scalaire du poids, le schéma du paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Dans_le_cas_d’une_«_liaison_pivot_»_ou_d’une_«_liaison_sphérique_avec_C.I._de_lancement_(C.I._a)_ou_(C.I._b)_»,_nouveau_repérage_adapté_à_la_nature_rotatoire_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_à_un_degré_de_liberté|dans le cas d'une liaison pivot ou d'une liaison sphérique avec C.I. de lancement (C.I. a) ou (C.I. b), nouveau repérage adapté à la nature rotatoire du mouvement du P.P.(N.A.) à un degré de liberté]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » étant fait avec le paramètre de position angulaire <math>\,\theta > 0</math>, on observe que le poids tend à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,-\,</math> avec un bras de levier <math>\,\big(</math>distance orthogonale séparant l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du support de <math>\,m\;\vec{g}\big)\,</math> égal à <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où, dans le cas où <math>\,\theta\,</math> est <math>\,> 0</math>, {{Nobr|«<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t)</math>}} <math>= - \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>» <math>\,\Big\{</math>le résultat est indépendant du signe de <math>\,\theta\,</math> mais si le schéma était fait avec <math>\,\theta < 0</math>, on observerait que le poids tendrait à faire tourner le pendule dans le sens <math>\,+\,</math> avec un bras de levier <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert\,</math> d'où «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = + \Vert m\;\vec{g} \Vert\; d = m\;g\;\left[ -\mathfrak{a}\; \sin(\theta) \right] = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\;</math>», soit effectivement le même résultat <math>\,\big[</math>avec toutefois une possibilité d'erreur si on oubliait que <math>\,\theta < 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,d = \mathfrak{a}\; \vert \sin(\theta) \vert = -\mathfrak{a}\; \sin(\theta)\big]\Big\}</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_1ère_partie#Cas_particulier_où_M_est_en_mouvement_circulaire_d'axe_Δ_et_de_vitesse_angulaire_instantanée_Ω(t)|cas particulier où M est en mouvement circulaire d'axe Δ et de vitesse angulaire instantanée Ω(t)]] » du chap.<math>11</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> et de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> de la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I."> Conditions Initiales.</ref> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O"> On a établi dans la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#cite_note-réduction_à_deux_composantes_de_la_réaction_dans_ces_C.I.-18|¹⁸]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » que la réaction du point <math>\,O\,</math> dans l'hypothèse d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_rotule,_sphérique_ou_sphère/sphère|liaison sphérique]] sur le pendule lancé dans les C.I. <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{a} \right)\,</math> ou <math>\,\left( C.I.\; \mathfrak{b} \right)\,</math> s'écrirait <math>\,\vec{R}(t) =</math> <math>R_{\rho_G}(t)\;\vec{u}_{\rho_G}(t) + R_z(t)\;\vec{u}_z</math>, c.-à-d. que la réaction serait dans le plan vertical de lancement soit encore «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» ; <br>{{Al|3}}on établit de même <math>\,\big[</math>sans que cela ait été exposé dans le chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> que la réaction de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> d'une [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] sur le pendule quels que soient les C.I. de lancement compatibles avec la [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|liaison pivot]] s'écrit «<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>».</ref> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul"> En effet la force étant <math>\,\perp\,</math> à l'axe par rapport auquel son moment scalaire est évalué est de bras de levier nul.</ref> auquel s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe"> Le couple étant de moment vectoriel <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta_O</math>.</ref> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée à la date <math>\,t\,</math> par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée développée à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» ; {{Al|5}}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.N.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|7}}{{Transparent|établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la puissance cinétique «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}sans terme du 1^er ordre ; {{Al|5}}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique"> On appelle « [[w:Solution_de_forme_fermée|solution analytique]] » d'une équation différentielle, une expression mathématique <math>\,\big(</math>souvent dite « formule explicite »<math>\big)\,</math> pouvant s'obtenir par une combinaison d'opérations et de [[w:Fonction_de_référence|fonctions de référence]] <math>\,\big(</math>c.-à-d. fonctions affines, puissances, trigonométriques et exponentielles ainsi que leurs fonctions inverses sur un domaine de définition restreint pour lequel il y a bijection et même certaines solutions d'équations différentielles dites de référence<math>\big)</math>, les opérations étant l'addition, la soustraction, la multiplication, la division et l'extraction de racines.</ref> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’élongations_angulaires_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'élongations angulaires non petites]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il est nécessaire de procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="solution analytique dans le cas d'élongations petites"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Cas_particulier_des_«_petites_élongations_angulaires_»,_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_=_oscillateur_harmonique_(non_amorti)_approché_de_rotation,_période_des_«_petites_oscillations_»|cas particulier des petites élongations angulaires, pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) oscillateur harmonique (non amorti) approché de rotation, période des petites oscillations]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. [[File:Pendule pesant amorti à un degré de liberté - forces extérieures - bis.png|thumb|Schéma d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti à un degré de liberté, repérage polaire de son C.D.I. <ref name="C.D.I." /> <math>\,G\,</math> et représentation des forces extérieures, <math>\,I\,</math> étant le point où la résultante des forces de frottement fluide peut être appliquée]] {{Al|5}}<u>Remarque</u> : On peut également, par utilisation du théorème de la puissance cinétique <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, }}retrouver l’équation différentielle en élongation angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti <math>\,\big(</math>voir coupe partielle représentée ci-contre<math>\big)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : On peut également, retrouver l’équation différentielle }}établie par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>actions extérieures exercées sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] ci-contre</u> : <math>\,\big\{</math>solide en rotation autour de l'axe <math>\,\Delta_O\;</math> fixe dans le référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen, le solide <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures exercées sur le solide du pendule ci-contre : <math>\,\color{transparent}{\big\{}</math>}}étant d'abscisse angulaire <math>\,\theta(t)\,</math> et de vitesse angulaire instantanée <math>\,\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>son poids <math>\,m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z\,</math> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right](t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;</math>» <ref name="moment scalaire du poids" /> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> }}de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,t\;</math><ref name="puissance instantanée développée par une force s'exerçant sur un point en mouvement circulaire" /> «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)</math> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>son poids <math>\,\color{transparent}{m\;\vec{g} = m\;g\;\vec{u}_z}\,</math> de puissance instantanée développée à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)}</math> }}<math>= -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>la réaction <math>\,\vec{R}(t)\,</math> de l'axe <math>\,\Delta_O\,</math> du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] sur le solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]] lancé avec n'importe quelles C.I. <ref name="C.I." /> compatibles avec la liaison, <br>{{Al|2}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la réaction }}«<math>\;\vec{R}(t) = R_r(t)\;\vec{u}_r(t) + R_\theta(t)\;\vec{u}_\theta(t)\;</math>» <ref name="réaction en O" /> de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R}(t) \right] = 0\;</math>» <ref name="moment scalaire nul" /> où s'ajoute <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}le couple de réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] de moment vectoriel «<math>\;\vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} = \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,r}}\;\vec{u}_r + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},\,\theta}}\;\vec{u}_\theta\;</math>» <ref name="réaction en O" />{{,}} <ref name="moment scalaire d'un couple de moment vectoriel perpendiculaire à l'axe" /> donc <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>le couple de réaction du pivot }}de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O} = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}la puissance instantanée développée par la réaction du [[w:Liaison_(mécanique)#Liaison_pivot|pivot]] et son couple de réaction étant, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t) + \overline{\Gamma_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot},}}_{\Delta_O}\!(t)\;\dot{\theta}(t) = 0\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures }}<math>\bullet\;</math>les actions de frottement fluide <math>\,\big(</math>supposé linéaire<math>\big)\,</math> que le milieu où se déplace le [[w:Pendule_pesant|pendule]] exercent sur ce dernier, de vecteur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}moment en <math>\,O</math> <math>\,\overrightarrow{\mathcal{M}}_{O,\,\text{flu}}(t)</math>, de moment scalaire par rapport à <math>\,\Delta_O\,</math> «<math>\;\mathcal{M}_{\Delta_O,\,\text{flui.}}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un pendule pesant amorti" />{{,}} <ref name="définition de H"> <math>\,H\,</math> étant une constante positive exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule]], de la forme de ce dernier par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frotte le solide.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement }}la puissance instantanée développée par les actions de frottement fluide s'exprimant, à l'instant <math>\,t</math>, selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : actions extérieures <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>les actions de frottement la puissance instantanée }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{flu}}(t) = \mathcal{M}_{\Delta_O,\,\text{flui.}}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>puissance cinétique du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}l'énergie cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A."> [[w:Pendule_pesant|Pendule Pesant]] Amorti.</ref> à l'instant <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> dans laquelle «<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : puissance cinétique }}la puissance cinétique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> se définit selon «<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \dfrac{d}{dt} \left[ \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2(t) \right] = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t)\;</math>» ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>établissement de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti ci-dessus à droite par théorème de la puissance cinétique</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle }}l'application du théorème de la puissance cinétique au solide du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> en rotation autour de l'axe fixe <math>\,\Delta_O\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\dot{K}_{\text{P.P.A.}}(t) = \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{R} \right]\!(t) + \mathcal{P}\!\left[ \vec{\Gamma}_{\text{pendule}\,\leftarrow\,\text{pivot}} \right]\!(t) + \mathcal{P}_{\text{flu}}(t)\;</math>» <ref name="théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide en rotation" /> ou, en explicitant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;\dot{\theta}(t) + 0 - H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou, en simplifiant par <math>\,\dot{\theta}(t)\;</math><ref name="hors position d'équilibre" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\ddot{\theta}(t) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right] - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» soit, en normalisant, l'équation différentielle en <math>\,\theta(t)\,</math> du [[w:Pendule_pesant|pendule]] étudié <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + \dfrac{H}{J_{\Delta_O}}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>», équation différentielle non linéaire du 2^nd ordre en <math>\,\theta(t)\,</math> <br>{{Al|9}}{{Transparent|Remarque : établissement de l'équation différentielle l'application du théorème de la «<math>\;\color{transparent}{\ddot{\theta}(t) + J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0}\;</math>», équation différentielle non linéaire }}avec terme linéaire du 1^er ordre ; {{Al|5}}{{Transparent|Remarque : }}<u>absence de résolution analytique de l'équation différentielle en θ(t) du solide du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] amorti étudié</u> : <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de }}l'équation différentielle n'ayant pas de solution analytique <ref name="analytique" /> dans le cas général <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Absence_de_solution_analytique_dans_le_cas_général_d’amplitudes_initiales_non_petites|absence de solution analytique dans le cas général d'amplitudes initiales non petites]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, il faut procéder à une résolution numérique <math>\,\big(</math>non exposée ici<math>\big)\;</math><ref name="résolution numérique - bis"> Revoir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Approche_numérique_:_présentation_du_tracé_des_lois_horaires_du_mouvement_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté)_suivant_les_conditions_de_lancement,_non_isochronisme_des_oscillations,_formule_de_de_Borda|approche numérique : présentation du tracé des lois horaires du mouvement du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) suivant les conditions de lancement, non isochronisme des oscillations, formule de de Borda]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » nécessitant néanmoins d'ajouter le terme d'amortissement <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|3}}{{Transparent|Remarque : absence de résolution analytique de l'équation différentielle n'ayant pas }}une solution analytique <ref name="analytique" /> approchée existant dans le cas d'amplitudes initiales petite <ref name="absence de résolution analytique pour un P.P.A." />. == « En complément », caractère conservatif du couple de torsion, énergie potentielle de torsion et conservation de l’énergie mécanique du pendule de torsion (non amorti) dans le champ de torsion du fil == {{Al|5}}Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » ne sont pas explicités dans le programme de physique de P.C.S.I. mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le caractère « conservatif » du couple de torsion ainsi que l’expression de l’énergie potentielle « dont il dérive » }}il me semble souhaitable de le retenir <math>\,\big(</math>et bien sûr d’être capable de le retrouver<math>\big)</math>. === Caractère conservatif du couple de torsion === {{Al|5}}Le travail élémentaire d’un couple de torsion s’exerçant sur un solide, de vecteur moment «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t) = -C\;\alpha(t)\;\vec{u}_\Delta\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Expression_du_vecteur_moment_du_couple_de_torsion_exercé_par_le_fil_en_fonction_de_l'angle_de_torsion_«_α(t)_»,_notion_de_constante_de_torsion_«_C_»_du_fil_de_torsion|expression du vecteur moment du couple de torsion exercé par le fil de torsion α(t), notion de constante de torsion C du fil de torsion]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> lors d’une torsion élémentaire «<math>\;d \alpha\;</math>» <ref name="définition de Delta et alpha sur le fil de torsion"> <math>\,\Delta\,</math> étant la direction du fil de torsion orienté par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et «<math>\;\alpha\;</math>» l'angle de torsion algébrisé, défini au niveau de la liaison au solide dans le plan <math>\,\perp\,</math> à <math>\,\Delta\,</math> et orienté par <math>\,\vec{u}_\Delta</math>.</ref> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion }}étant défini selon «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math>», <math>\,\big[\overline{\Omega}(t)\,</math> étant la vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon «<math>\;\color{transparent}{\delta W_{\text{tors}} = \mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\;dt = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt}\;</math>», <math>\,\color{transparent}{\big[}</math>}}algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \alpha\;</math>»<math>\big]\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors}}(t) = \overline{\Gamma_{\text{tors}}}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\alpha}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> soit finalement <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le travail élémentaire d’un couple de torsion étant défini selon }}«<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -C\;\alpha\; d \alpha\;</math>» correspondant à une différentielle de fonction <math>\Rightarrow</math> le <u>caractère conservatif du couple de torsion</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple"> Pour montrer qu’une force est conservative, on évalue son travail élémentaire en prenant un vecteur déplacement élémentaire quelconque <math>\,\overrightarrow{dM}\,</math> à partir du point d'application <math>\,M\,</math> de la force <math>\,\big[</math>voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#2ème_définition_(équivalente)_d'une_force_«_conservative_»|2^ème définition (équivalente) d'une force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] »<math>\big]\,</math> ; <br>{{Al|3}}lorsqu'il s’agit d'un couple de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, il faut évaluer son travail élémentaire en envisageant une rotation élémentaire quelconque autour de n'importe quelle direction, le couple est alors conservatif si ce travail élémentaire est une différentielle de fonction mais <br>{{Al|3}}{{Transparent|lorsqu'il s'agit d'un couple }}dans le cas d’un couple de torsion de vecteur moment <math>\,\vec{\Gamma}</math>, la seule direction autour de laquelle peut s’effectuer une rotation élémentaire est celle du fil c.-à-d. celle de <math>\,\vec{\Gamma}\,</math> et par suite la seule condition pour que le couple de torsion soit conservatif est que son travail élémentaire en considérant une rotation élémentaire autour de la direction du fil de torsion soit une différentielle de fonction ou encore que « le moment scalaire du couple de torsion par rapport au fil ne dépende que de l'angle de torsion <math>\,\alpha\;</math>» C.Q.E.R. <math>\,\big(</math>Ce Qui Est Réalisé<math>\big)</math>.</ref>. === Énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion === {{Al|5}}L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,U_{\text{tors}}\,</math> dont « dérive » le couple de torsion de vecteur moment <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}est définie par «<math>\;\delta W_{\text{tors}} = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#1ère_définition_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|1^ère définition de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> c.-à-d. «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors}}}(\alpha)\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\,</math> ou <math>\,-C\;\alpha\; d \alpha = -dU_{\text{tors}}\;</math>» <math>\Leftrightarrow</math> «<math>\;\dfrac{dU_{\text{tors}}}{d \alpha} = C\;\alpha\;</math>» soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}en intégrant «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2 + cste\;</math>» ; choisissant la référence de l’énergie potentielle de torsion <math>\;U_{\text{tors}}(\alpha)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle"> C.-à-d. l'endroit où l'énergie potentielle est choisie nulle.</ref> <br>{{Al|7}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> en intégrant «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\alpha) = 2\; C\;\alpha^2 + cste}\;</math>» ; choisissant la référence }}quand le fil n’est pas tordu c.-à-d. <math>\,U_{\text{tors}}(0) = 0\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = 0</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|L'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}}\,</math> }}l'énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d’un fil et sa conservation en absence de frottement === [[File:Pendule de torsion sans masselottes - actions exercées.png|thumb|500px|Schéma d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] représenté sans masselottes additives et avec fil inférieur sans torsion avec ajout des actions exercées sur la tige à l'instant <math>\;t</math>]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec un seul fil de torsion, l'autre fil étant sans torsion <math>\,\big(</math>voir schéma ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec un seul fil de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Actions_d’un_fil_de_torsion_sur_le_solide_auquel_il_est_fixé_:_tension_du_fil_définie_par_la_«_résultante_des_actions_de_translation_exercées_par_le_fil_»_et_couple_de_torsion_du_fil_défini_par_le_«_moment_vectoriel_des_actions_de_rotation_exercées_par_le_fil_»|actions d'un fil de torsion sur le solide auquel il est fixé : tension du fil définie par la résultante des actions de translation exercées par le fil et couple de torsion du fil défini par le moment vectoriel des actions de rotation exercées par le fil]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}la seule action extérieure de moment scalaire non nul par rapport à la direction <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}commune du fil de torsion et du fil sans torsion <math>\;\big(</math>orientée par le vecteur <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> étant le couple « conservatif » de torsion <ref name="conservativité du couple de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Caractère_conservatif_du_couple_de_torsion|caractère conservatif du couple de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion la seule action }}moment vectoriel «<math>\;\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors}}} = -C\;\alpha\;\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\;</math>» <ref name="expression du moment vectoriel du couple de torsion /> auquel on associe <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie potentielle de torsion du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-contre valant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;U_{\text{tors}}(t) =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion énergie potentielle de torsion }}<math>\,\dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» <math>\,\big(</math>référence : fil non tordu <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_torsion_du_solide_relié_au_fil_de_torsion|énergie potentielle de torsion du solide relié au fil de torsion]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}son énergie cinétique à la date <math>\,t\,</math> étant «<math>\;K_{\text{pend. tors.}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2\;</math>» <ref name="énergie cinétique d'un solide en rotation autour d'un axe fixe" /> où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique }}<math>J_{CO_{\text{sup}}}\,</math> est le moment d'inertie du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] relativement à la <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion son énergie cinétique <math>\color{transparent}{J_{CO_{\text{sup}}}}\,</math> est }}direction du fil de torsion et du fil sans torsion <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ci-dessus à l'instant <math>\,t\,</math> selon «<math>\;E_m(t) = K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Propriétés_de_l'«_énergie_potentielle_d'un_point_matériel_dans_un_champ_de_force_conservative_»|propriétés de l'énergie potentielle d'un point matériel dans un champ de force conservative]] (2^ème propriété) » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » dont on admet le prolongement de sa validité à un soilde.</ref> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{pend. tors.}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{pend. tors.}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{pend. tors.}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{pend. tors.}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\; J_{CO_{\text{sup}}}\,\left[ \dot{\alpha}(t) \right]^2 + \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha(t) \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion avec un seul fil de torsion, finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\; C\,\left[ \alpha_0 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\alpha(0) = \alpha_0\;</math> et <math>\,\dot{\alpha}(0) = 0\;</math>». [[File:Pendule Torsion photo.jpg|thumb|300px|Photographie d'un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]]]] {{Al|5}}Considérant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti avec deux fils de torsion verticaux situés de part et d'autre de la tige <math>\,\big(</math>voir photographie ci-contre<math>\big)\;</math><ref name="pendule de torsion avec deux fils de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}il y a deux actions extérieures s'exerçant sur le solide « tige + masselottes » de moment scalaire non nul par rapport à <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}la direction commune <math>\,\Delta_C\,</math> des deux fils de torsion <math>\,\big(</math>orientée par le vecteur unitaire <math>\,\vec{u}_{CO_{\text{sup}}}\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil supérieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{sup}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;</math>» <ref name="fil supérieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}élémentaire du solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. sup.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. sup.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\, \left[ \theta(t) - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}prouve le <u>caractère conservatif du couple de torsion du fil supérieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}supérieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. sup.}} = -d U_{\text{tors. sup.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\;d \theta = -d U_{\text{tors. sup.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. sup.}}}{d \theta} = C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]\,</math> qui s'intègre en <math>\,U_{\text{tors. sup.}}</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,= \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> et, en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. sup.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}du solide à l'équilibre » c.-à-d. <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre"> Revoir l'explication rappelée dans le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans le chapitre.</ref> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil supérieur du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. sup.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta_1 - 2\;\theta_1 \right]^2 + cste_1 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_1 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion"> Symboliquement l'énergie potentielle d'un solide dans le champ de torsion d'un fil de torsion s'obtient, à une constante additive près, par la moitié du produit de la constante de torsion du fil et du carré de l'angle de torsion, à l'instant <math>\;t</math>, du fil au point d'attache du solide.</ref> et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}<math>\bullet\;</math>le couple de torsion du fil inférieur <math>\,\left\lbrace CO_{\text{inf}} \right\rbrace\,</math> de moment scalaire par rapport à l'axe <math>\,\Delta_C\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}«<math>\;\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t) = -C\; \theta(t)\;</math>» <ref name="fil inférieur" /> dont le travail élémentaire, lors d'une rotation élémentaire du <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}solide d'angle <math>\,\overline{\Omega}(t)\;dt = d \theta</math>, s'écrivant «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = \mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\;dt =</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\;dt\;</math><ref> <math>\,\overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\,</math> étant la composante de <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> sur <math>\,\vec{u}_\Delta\,</math> et la puissance instantanée <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\,</math> développée par <math>\,\overrightarrow{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}(t)\,</math> se calculant selon <math>\,\mathcal{P}_{\text{tors. inf.}}(t)\ = \overline{\Gamma_{\text{tors. inf.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t)\,</math> avec <math>\,\overline{\Omega}(t)\,</math> vitesse angulaire instantanée du solide à l'instant <math>\,t\,</math> liée à l'angle de torsion algébrisé par «<math>\;\overline{\Omega}(t) = \dot{\theta}(t)\;</math> <math>\big[</math>voir la note « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#cite_note-puissance_développée_par_un_couple_sur_un_solide_en_rotation-50|⁵⁰]] » plus haut dans ce chapitre<math>\big]</math>.</ref> <math>= -C\; \theta(t)\;d \theta\;</math>» ce qui est une différentielle de fonction et prouve le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<u>caractère conservatif du couple de torsion du fil inférieur</u> <ref name="preuve du caractère conservatif d'un couple" />, lequel « dérive » de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>}}l'énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion du fil <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}inférieur définie, à une constante additive près, par «<math>\;\delta W_{\text{tors. inf.}} = -d U_{\text{tors. inf.}}\;</math>» soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,-C\;\theta\;d \theta = -d U_{\text{tors. inf.}}\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{tors. inf.}}}{d \theta} = C\; \theta\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{tors. inf.}} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} + cste_2\;</math><ref name="énergie potentielle de torsion" /> soit, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}en prenant pour référence de <math>\,U_{\text{tors. inf.}}(\theta)\;</math><ref name="référence de l'énergie potentielle" /> « la position du solide à l'équilibre » c.-à-d. <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>« }}<math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /> <math>\Rightarrow</math> l'énergie potentielle de torsion par fil inférieur du solide « tige + masselottes » «<math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - \dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» <ref> En effet <math>\;U_{\text{tors. inf.}}(\theta_1) = 0\;</math> se réécrit <math>\;\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2} + cste_2 = 0\;</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\;cste_2 = -\dfrac{1}{2}\;C\; \theta_1^{\,2}</math>.</ref>{{,}} <ref name="expression symbolique de l'énergie potentielle de torsion" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions }}finalement l'énergie potentielle globale de torsion du solide « tige + masselottes » <math>\,\big(</math>avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : position d'équilibre du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale }}s'écrit «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = U_{\text{tors. sup.}}(\theta) + U_{\text{tors. inf.}}(\theta) = \dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2}\;</math>» ou, en simplifiant, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion il y a deux actions finalement l'énergie potentielle globale s'écrit }}«<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2\;</math>» <ref> En effet <math>\,\dfrac{1}{2}\;C\, \left[ \theta - 2\;\theta_1 \right]^2 + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + 2\;C\; \theta_1^{\,2} + \dfrac{1}{2}\;C\; \theta^{\,2} - C\; \theta_1^{\,2} = C\; \theta^{\,2} - 2\;C\;\theta\;\theta_1 + C\; \theta_1^{\,2} = C\, \left( \theta - \theta_1 \right)^2</math>.</ref>{{,}} <ref> Cette énergie potentielle de torsion du solide « tige + masselottes » est la même que celle que l'on obtiendrait avec un seul fil de torsion de constante de torsion <math>\,2\,C</math>, l'autre fil étant sans torsion avec la référence en la position repérée par l'angle <math>\,\theta_1</math>.</ref> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] ci-dessus étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;K_{\text{tige + masselottes}}(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\overline{\Omega}^2(t)</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule ci-dessus étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, «<math>\;\color{transparent}{K_{\text{tige + masselottes}}(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du pendule de torsion"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#%Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torion par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique de l'ensemble tige + masselottes) » plus haut dans ce chapitre.</ref> avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie cinétique du solide « tige + masselottes » du pendule }}<math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> moment d'inertie du solide « tige + masselottes » par rapport à <math>\,\Delta_C\;</math><ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + masselottes » dans le champ de torsion des deux fils définie, à l'instant <math>\,t\,</math> selon <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion l'énergie mécanique }}«<math>\;E_m(t) = K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}\! \left[ \theta(t) \right] = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{tors},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{tige + masselottes}} = -\Delta U_{\text{tors}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{tige + masselottes}}(t) + U_{\text{tors}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{tige + masselottes}} + U_{\text{tors}} \right] = 0}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Considérant le pendule de torsion finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{tors}}(\alpha) = \dfrac{1}{2}\; C\;\alpha^2\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\alpha\;</math>» dans le 1^er exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] ou <br>{{Al|57}}celui «<math>\;U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta - \theta_1 \right]^2 \,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du 2^ème exemple de [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] du [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|même]] paragraphe <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}étant parabolique, nous retrouvons la <u>2^ème définition d’un oscillateur harmonique</u><math>\;\big(</math>de rotation<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Définition_(équivalente)_énergétique_d'un_oscillateur_harmonique|définition (équivalente) énergétique d'un oscillateur harmonique]] » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. <br>{{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> de son mouvement dans le 2^ème exemple du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}«<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2 = C\, \left[ \theta_0 - \theta_1 \right]^2\;</math>», <br>{{Al|58}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}les C.I. <ref name="C.I." /> étant «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le portrait de phase du pendule de torsion ayant pour équation implicite l'intégrale 1^ère <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>énergétique<math>\color{transparent}{\big)}\,</math> de son mouvement }}est donc une <u>ellipse décrite dans le sens horaire</u> <ref name="portrait de phase d'un socillateur harmonique"> Voir le paragraphe « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)/Oscillateurs_amortis_:_circuit_R_L_C_série_et_oscillateur_mécanique_amorti_par_frottement_visqueux#Tracé_du_portrait_de_phase_de_la_charge_du_condensateur_d'un_«_R_L_C_série_»_soumis_à_un_échelon_de_tension_suivant_le_cœfficient_d'amortissement|propriétés des portraits de phase de la charge du condensateur d'un RLC série soumis à un échelon de tension suivant le cœfficient d'amortissement]] (cas d'un circuit oscillant non amorti en vert) » du chap.<math>1</math> de la leçon « [[Signaux_physiques_-_bis_(PCSI)|Signaux physiques - bis (PCSI)]] ».</ref>. == Conservation de l’énergie mécanique du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté) dans le champ de pesanteur uniforme == === Énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant === {{Al|5}}Dans le cas d'un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] » plus haut dans ce chapitre.</ref><math>\big)</math>, le poids du solide étant la seule action extérieure travaillant et ce dernier étant conservatif <ref name="poids d'un objet conservatif"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#Établissement_du_caractère_«_conservatif_»_du_poids_d'un_point_matériel_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|établissement du caractère conservatif du poids d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref>, <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, }}on lui associe l'énergie potentielle de pesanteur «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta)\;</math>» <ref name="énergie potentielle de pesanteur"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_1_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_point_matériel_:_Énergie_potentielle_et_énergie_mécanique#«_Énergie_potentielle_de_pesanteur_d'un_point_matériel_»_(dans_le_champ_de_pesanteur_terrestre_uniforme)|énergie potentielle de pesanteur d'un point matériel (dans le champ de pesanteur terrestre uniformz)]] » du chap.<math>16</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] ».</ref> déterminée en intégrant «<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = -dU_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> avec <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)\,</math> travail élémentaire du poids lors d'une rotation élémentaire d'angle <math>\,d \theta = \dot{\theta}(t)\;dt\,</math> autour de <math>\,\Delta_O\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe «<math>\;\color{transparent}{\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right)}\,</math>}}<math>= \mathcal{P}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;dt = \mathcal{M}_{\!\Delta_O}\!\left[ m\;\vec{g} \right]\!(t)\;\dot{\theta}(t)\;dt = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left[ \theta(t) \right]\;d \theta\;</math>» <ref name="travail élémentaire du poids du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (actions extérieures exercées sur le solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> d'où <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}<math>\,-dU_{\text{pes}} = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\;d \theta\,</math> <math>\Leftrightarrow</math> <math>\,\dfrac{d U_{\text{pes}}}{d \theta}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\; \sin\! \left( \theta \right)\,</math> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = -m\;g\;\mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right) + cste\;</math>» <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « }}soit, en choisissant comme référence de l'énergie potentielle <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> « la position <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}d'équilibre stable de ce dernier <ref name="équilibre stable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessous de ce dernier.</ref> <math>\,\theta_{\text{éq. stable}} = 0\;</math>» d'où <math>\,U_{\text{pes}}(0) = 0\,</math> <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe « soit, en choisissant comme référence }}<math>\Rightarrow</math> <math>\,0 = -m\;g\;\mathfrak{a} + cste\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,cste = m\;g\;\mathfrak{a}\,</math> d'où l'expression de <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}l'énergie potentielle de pesanteur du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> se réécrit selon <br>{{Al|19}}{{Transparent|Dans le cas d'un P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre<math>\color{transparent}{\big)}</math>, on lui associe }}«<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta \right) \right]\;</math>» <ref> Pour trouver l'expression de l'énergie potentielle de pesanteur on peut aussi utiliser <math>\,\delta W\!\left( m\;\vec{g} \right) = m\;g\;dz_G = -dU_{\text{pes}}\,</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\,U_{\text{pes}} = -m\;g\;z_G + cste\,</math> sachant que <math>\,z_G = \mathfrak{a}\; \cos\! \left( \theta \right)\,</math> avec pour position d'équilibre stable <math>\,z_{G,\,\text{éq. stable}} = \mathfrak{a}</math> <math>\;\ldots</math></ref> <math>\,\big(</math>référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> : la position d'équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /><math>\big)</math>. === Énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frottement === {{Al|5}}Considérant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> <math>\,\big(</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <ref name='schéma du P.P.N.A." /><math>\big)</math>, l'énergie potentielle de pesanteur étant «<math>\;U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right] = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\,</math> avec référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> <math>\,\theta_{\text{équi. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P."/> » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> et <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie cinétique du solide constituant le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> à l'instant <math>\,t\,</math> «<math>\;K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref name="énergie cinétique du solide d'un P.P.N.A."> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l'équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (puissance cinétique du solide du P.P.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> dans laquelle <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie cinétique}}«<math>\;J_{\Delta_O}\,</math> est le moment d'inertie du solide par rapport à <math>\,\Delta_O\;</math>» <ref name="moment d'inertie relativement à un axe" />, on en déduit <br>{{Al|18}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>,}}l'énergie mécanique du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> dans le champ de pesanteur «<math>\;E_m\!(t) = K_{\text{P.P.N.A.}}\!(t) + U_{\text{pes}}\! \left[ \theta(t) \right]</math> <br>{{Al|23}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>voir schéma plus haut dans ce chapitre <math>\color{transparent}{\big)}</math>, l'énergie mécanique du P.P.N.A. dans le champ de pesanteur «<math>\;\color{transparent}{E_m\!(t)}</math> }}<math>= \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}le théorème de l’énergie cinétique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] entre les instants <math>\,t_{\mathcal{I}}\,</math> et <math>\,t_{\mathcal{F}}\,</math> dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> s’écrivant <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique }}«<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» avec «<math>\;W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle - bis" /> d'où «<math>\;\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = -\Delta U_{\text{pes}}\;</math>» soit encore <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0\;</math>» c.-à-d. «<math>\;\Delta E_m = 0\;</math>» <ref> Car <math>\,K_{\text{P.P.N.A.}}(t) + U_{\text{pes}}(t)\,</math> définit l'énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] à l'instant <math>\,t\,</math> soit <math>\,E_m(t)</math>.</ref> <br>{{Al|17}}{{Transparent|Considérant le P..P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» avec «<math>\;\color{transparent}{W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{pes}}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{transparent}{\Delta \left[ K_{\text{P.P.N.A.}} + U_{\text{pes}} \right] = 0}\;</math>» }}ou «<math>\;E_m(t_{\mathcal{F}}) = E_m(t_{\mathcal{I}})\;</math>» <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. le théorème de l’énergie cinétique «<math>\;\color{transparent}{\Delta K_{\text{P.P.N.A.}} = W_{\text{pes},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» }}c.-à-d. la <u>conservation de l’énergie mécanique du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]]</u><math>\,\big(</math><u>non amorti</u><math>\big)</math> ; <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A. }}finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\,</math> du mouvement de ce [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] non amorti selon «<math>\;E_m(t) = E_{m,\,0}\;</math>» avec <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» et <br>{{Al|11}}{{Transparent|Considérant le P.P.N.A., finalement on peut écrire l'intégrale 1^ère }}«<math>\;E_{m,\,0} = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>» si les C.I. <ref name="C.I." /> sont «<math>\;\theta(0) = \theta_0\;</math> et <math>\,\dot{\theta}(0) = 0\;</math>». === Quelques commentaires === {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle «<math>\;U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\,\left[ 1 - \cos(\theta) \right]\,</math> en fonction du paramètre de position angulaire <math>\,\theta\;</math>» du [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] du paragraphe [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|précédent]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}n'étant pas parabolique <math>\,\big(</math>mais sinusoïdal<math>\big)</math>, nous pouvons affirmer que <u>le P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> n'est pas un oscillateur harmonique</u> <math>\,\big(</math>quand il est en situation d'osciller<math>\big)\;</math><ref name="2ème définition d'un osillateur harmonique" /> ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle }}une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <math>\blacktriangleright\;</math>« oscillatoire pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'énergie mécanique initiale du P.P.N.A. vaut «<math>\;E_{m,\,0} = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^2 + m\;g\; \mathfrak{a}\, \left[ 1 - \cos\! \left( \theta_0 \right) \right]\;</math>».</ref> et <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet d’établir que la nature du P.P.N.A. est }}<math>\blacktriangleright\;</math>« révolutive pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\; m\;g\; \mathfrak{a}\;</math>» <ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="étude du mouvement d'un P.P.N.A. par diagramme d'énergies"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Étude_du_mouvement_du_P.P.(N.A.)_dans_le_cas_général_des_élongations_angulaires_non_petites_par_diagramme_énergétique|étude du mouvement du P.P.(N.A.) dans le cas général des élongations angulaires non petites par diagramme énergétique]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> puis <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}de démontrer, avec utilisation simultanée de l'intégrale 1^ère énergétique <ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque"> Dans les C.I. «<math>\;\dot{\theta}(0) = \dot{\theta}_0\,</math> et <math>\,\theta(0) = \theta_0\;</math>» l'intégrale 1^ère énergétique du P.P.N.A. s'écrit «<math>\;\dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}_0^{\,2} + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta_0 \right] \right\rbrace\;</math>».</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet de démontrer, }}la nature « périodique <math>\,\big(</math>oscillatoire ou révolutive<math>\big)\;</math>» ainsi que <br>{{Al|5}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\,</math>Le diagramme d’énergie potentielle une étude par diagrammes d’énergies mécanique et potentielle permet }}d’établir l’expression de la période sous forme intégrale <math>\ldots</math> {{Al|5}}<math>\bullet\;</math>Les [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d’un P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ayant pour équation implicite l’intégrale 1^ère <math>\,\big(</math>énergétique<math>\big)\;</math><ref name="intégrale 1ère énergétique du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" /> de son mouvement lequel dépend de la valeur de l'énergie mécanique initiale <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />, <br>{{Al|11}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. }}diffèrent suivant <math>\,E_{m,\,0}\;</math><ref name="expression de Em0 du P.P.N.A. dans C.I. quelconque" />{{,}} <ref name="différents portraits de phase d'un P.P.N.A."> Voir les paragraphes « [[Mécanique_1_(PCSI)/Loi_de_la_quantité_de_mouvement_:_Pendule_pesant_simple#Tracé_des_portraits_de_phase_dans_le_cas_général_«_d'oscillations_ou_de_mouvement_révolutif_»_d'un_P.P.S._lancé_dans_les_C.I._«_1b_U_1a_»|tracé des portraits de phase dans le cas général d'oscillations ou de mouvement révolutif d'un P.P.S. lancé dans les C.I. 1b U 1a]] » du chap.<math>12</math> de la leçon « [[Mécanique_1_(PCSI)|Mécanique 1 (PCSI)]] » <math>\,\big(</math>l'allure des [[w:Portrait_de_phase|portraits de phase]] d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] non amorti étant la même que ceux d'un [[w:Pendule_simple|pendule simple]] non amorti<math>\big)\,</math> et « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_1ère_partie#Différents_portraits_de_phase_du_pendule_pesant_(non_amorti_à_un_degré_de_liberté),_«_bifurcation_»_entre_mouvement_«_pendulaire_»_et_révolutif|différents portraits de phase du pendule pesant (non amorti à un degré de liberté), bifurcation entre mouvement pendulaire et révolutif]] » du chap.<math>8</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref> <math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>pendulaire</u> <ref name="pendulaire"> Adjectif synonyme d'« oscillatoire ».</ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>fermé</u>, décrit dans le « <u>sens horaire</u> » <ref name="justification du sens horaire"> Ou « trigonométrique indirect », en effet « quand <math>\,\dot{\theta}\,</math> est <math>\,> 0</math>, <math>\,\theta \nearrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \nearrow\,</math> puis <math>\,\searrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule » ensuite «<math>\;\dot{\theta}\,</math> est <math>\,< 0</math>, correspondant à <math>\,\theta \searrow\,</math> et <math>\,\dot{\theta} \searrow\,</math> puis <math>\,\nearrow\,</math> jusqu'à ce qu'elle s’annule de nouveau » <math>\;\ldots</math></ref>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}avec le point «<math>\;\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)\;</math>» comme « <u>centre de </u>{{Nobr|<u>symétrie</u> » <ref name="justification du centre de symétrie"> Invariance de l’équation en changeant «<math>\;\theta\,</math> en <math>\,-\theta\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des vitesses angulaires <math>\,\big(</math>en fait antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>» et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Invariance de l’équation }}en changeant «<math>\;\dot{\theta}\,</math> en <math>\,-\dot{\theta}\;</math>» <math>\Rightarrow</math> « symétrie par rapport à l'axe des abscisses angulaires <math>\,\big(</math>là encore c'est une antisymétrie car le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est une courbe orientée<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|3}}l’association des deux symétries axiales <math>\,\big(</math>ou plutôt des deux antisymétries axiales<math>\big)\,</math> donnant un centre de symétrie pour l'intersection des deux axes <math>\,\big[</math>le point d'intersection des deux axes étant réellement une symétrie centrale <math>\,\big(</math>et non une antisymétrie centrale<math>\big)</math>.</ref>}} <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} < 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, avec le point «<math>\;\color{transparent}{\big( \theta = 0\, , \, \dot{\theta} = 0 \big)}\;</math>» }}correspondant à la position d’équilibre stable <ref name="équilibre stable du P.P." /> du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> ; <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> }}<math>\blacktriangleright\;</math>pour <math>\,E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}</math>, le mouvement du P.P.N.A. <ref name="P.P.N.A." /> est <u>révolutif</u>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}son [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] est <u>ouvert</u>, constitué de la <u>répétition du motif de l'intervalle</u><math>\;\left] -\pi\, , \, \pi \right]</math>, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase }}répété <math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \nearrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} > 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 > 0\;</math>» ou <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, son portrait de phase répété }}<math>\bullet\;</math>« vers les <math>\,\theta \searrow\,</math> en restant dans le domaine des <math>\,\dot{\theta} < 0\,</math> si <math>\,\dot{\theta}_0 < 0\;</math>», <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}le [[w:Portrait_de_phase|portrait de phase]] avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)\;</math>» et celui avec C.I. <ref name="C.I." /> «<math>\;\left( \theta_0\, , \,-\dot{\theta}_0 > 0 \right)\;</math>» <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, le portrait de phase avec C.I. «<math>\;\color{transparent}{\left( \theta_0\, , \,\dot{\theta}_0 < 0 \right)}\;</math>» }}étant <u>antisymétriques</u> l'un de l'autre, <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>maxima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre stable</u> <ref name="équilibre stable du P.P." /> «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres stables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» ;<br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 > 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}\;</math>»<math>\big)\;</math> alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0\,</math> et <math>\,\theta_0 < 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = -p'\; 2\,\pi,\;\; p' \in \mathbb{N}^{*}\;</math>» <math>\,\big(</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. st.}} = p\; 2\,\pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big)</math>.</ref> et <br>{{Al|26}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, }}les <u>minima de</u><math>\;\vert \dot{\theta} \vert\;</math><u>obtenus pour les positions d’équilibre instable</u> <ref name="équilibre instable du P.P."> C.-à-d. le C.D.I. <math>\,G\,</math> sur la verticale passant par <math>\,O\,</math> et au-dessus de ce dernier.</ref> «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;</math> <br>{{Al|32}}{{Transparent|<math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>Les portraits de phase d’un P.P.N.A. diffèrent suivant <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0}}\;</math> <math>\color{transparent}{\blacktriangleright}\;</math>pour <math>\,\color{transparent}{E_{m,\,0} > 2\;m\;g\;\mathfrak{a}}</math>, les minima de<math>\;\color{transparent}{\vert \dot{\theta} \vert}\;</math>obtenus pour les positions d’équilibre instable «<math>\;\color{transparent}{\theta_{\text{éq. inst.}} =}</math> }}<math>\; p \in \mathbb{Z}\;</math>» <ref name="précision sur l'accessibilité des équilibres instables"> Plus précisément si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,> 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{N}\;</math>» alors que <br>{{Al|3}}{{Transparent|Plus précisément }}si <math>\,\dot{\theta}_0\,</math> est <math>\,< 0</math>, «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = -\left( 2\;p' + 1 \right)\, \pi,\;\; p' \in \mathbb{N}\;</math>» <math>\,\big[</math>ou «<math>\;\theta_{\text{éq. inst.}} = \left( 2\;p + 1 \right)\, \pi,\;\; p \in \mathbb{Z}_{-}^{*}\;</math>»<math>\big]\;</math>.</ref>. == « Généralisation » à tout « solide » : « théorème de la variation de l’énergie mécanique » et la forme locale associée « le théorème de la puissance mécanique », application au cas d’un solide amorti == {{Al|5}}Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à la généralisation à tout système de points matériels ou continu de matière « indéformable » <ref name="solide au sens de la mécanique" />, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Nous nous limitons, dans ce paragraphe, à }}la généralisation aux systèmes de points matériels ou continus de matière « déformables » sera faite dans le chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Lois_de_l'énergie_cinétique_pour_un_système_déformable_de_points_matériels#«_En_complément_»,_théorème_de_la_variation_de_l’énergie_mécanique_appliqué_à_un_système_de_matière_déformable_dans_le_champ_des_forces_extérieures_et_intérieures_conservatives_et_sa_forme_locale_«_le_théorème_de_la_puissance_mécanique_»|en complément : théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un système de matière déformable dans le champ des forces extérieures et intérieures conservatives et sa forme locale le théorème de la puissance mécanique]] » du chap.<math>13</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>. === Théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» dans un référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen <ref name="théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide" /> sur une durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> s’écrivant «<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\bullet\;</math>celles qui sont conservatives <math>\,\big(</math>lesquelles « dérivent » d’une énergie potentielle<math>\big)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{ransparent}{\bullet}\;</math>}}dont le travail pendant cette durée finie est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées }}<math>\bullet\;</math>celles qui sont non conservatives <ref name="non conservatives"> Ou, si elles sont conservatives, dont on ne considère pas le caractère « conservatif ».</ref> dont le travail pendant cette durée finie <br>{{Al|12}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» on y distingue deux types de forces extérieures appliquées <math>\color{transparent}{\bullet}\;</math>celles qui sont non conservatives dont }}est noté «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}d'où «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou, avec «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}}\;</math>» <ref name="énergie potentielle" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, }}<math>\big(U_{\text{ext}}\,</math> étant l'énergie potentielle dont dérivent les forces conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» d'où «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = W_{\text{ext},\, \text{cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» ou, <math>\color{ransparent}{\big(}</math>}}définie à une constante additive près précisée par choix de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /><math>\big)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}<math>\Rightarrow</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» d’où la réécriture du théorème de l’énergie cinétique appliqué au « solide <math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta K_{\left( \mathcal{S} \right)} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» ou encore <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}«<math>\;\Delta \left[ K_{\left( \mathcal{S} \right)} + U_{\text{ext}} \right] = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» où on reconnaît dans le 1^er membre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}la variation de l’énergie mécanique «<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}\!(t) + U_{\text{ext}}\!(t)\;</math>» du solide «<math>\;\mathcal{S}\;</math>» <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où }}dans le champ des forces conservatives sur la durée <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> dans le <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» <math>\color{ransparent}{\Rightarrow}</math> «<math>\;\color{ransparent}{W_{\text{ext},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}} = -\Delta U_{\text{ext}} + W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}}\;</math>» d’où dans le champ des forces conservatives }}référentiel <math>\,\mathcal{R}\,</math> galiléen d'où, finalement, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}le lien entre la variation de l'énergie mécanique du « solide <math>\,\mathcal{S}\;</math>» sur la durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;\Delta E_m = E_{m,\,\mathcal{F}} - E_{m,\,\mathcal{I}}\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» le lien }}le travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> sur cette même durée finie <math>\,\Delta t = t_{\mathcal{F}} - t_{\mathcal{I}}\,</math> soit «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» à savoir <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}«<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\, \mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» applicable à un solide dans un référentiel d’étude galiléen, d'où <br>{{Al|5}}{{Transparent|Le théorème de l’énergie cinétique appliqué à un « solide <math>\,\color{ransparent}{\mathcal{S}}\;</math>» }}l'énoncé du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie dans un référentiel galiléen <ref> Ce théorème n'est pas explicité dans le programme de physique de P.C.S.I. sous la forme où il existe des forces extérieures non conservatives dissipatives mais, comme le cas où toutes les forces extérieures travaillant sont conservatives est clairement explicité <math>\,\big(</math>sous la forme de la conservation de l’énergie mécanique du solide<math>\big)</math>, le cas où il existe des forces extérieures travaillant et non conservatives <math>\,\big(</math>comme des forces de frottement<math>\big)\,</math> s’appliquant à un solide peut difficilement être ignoré d'où l'ajout du théorème sous sa forme la plus générale <math>\;\ldots</math></ref>. : {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée finie|contenu = {{Al|5}}La variation d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}<math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <math>\,K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation «<math>\;\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» }}égale au travail des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation «<math>\;\color{transparent}{\Delta E_m = E_m\!(t_{\mathcal{F}}) - E_m\!(t_{\mathcal{I}})}\;</math>» est égale au travail }}sur le même intervalle <math>\,\left[ t_{\mathcal{I}}\,,\, t_{\mathcal{F}} \right]\,</math> «<math>\;W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\Delta E_m = W_{\text{ext},\, \text{non cons.},\,\mathcal{I}\,\rightarrow\,\mathcal{F}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire dans un référentiel galiléen <br>{{Al|5}}{{Transparent|La forme du théorème de la variation de l'énergie mécanique }}se déduit aisément de sa forme sur une durée finie soit {{Théorème|titre=Théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un « solide » sur une durée élémentaire|contenu = {{Al|5}}La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\,</math> d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}conservatives <math>\big(</math>dérivant de l'énergie potentielle <math>\,U_{\text{ext}}\big)</math>, avec <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> }}<math>K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\,</math> l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> à la date <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire d'énergie mécanique <math>\,\color{transparent}{E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)}\,</math> <math>\color{transarent}{K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)}\,</math> l'énergie cinétique }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La }}variation élementaire«<math>\;d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t)\;</math>» sur l'intervalle <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> dans ce même référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» }}égale au travail élémentaire des forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La variation élémentaire «<math>\;\color{transparent}{d E_m = E_m\!(t + dt) - E_m\!(t}\;</math>» égale au travail }}appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> sur <math>\,\left[ t\,,\, t + dt \right]\,</math> «<math>\;\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math>» <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;d E_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée élémentaire ou finie <br>{{Al|5}}{{Transparent|Remarque : Sous cette forme le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide }}est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la variation de l'énergie mécanique appliqué à un solide sur une durée finie ou élémentaire se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la conservation de l’énergie mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>». === Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide » === {{Al|5}}Le théorème de la puissance mécanique est la forme locale associée à la forme intégrée <ref name="forme intégrée de forme locale" /> “ théorème de la variation de l'énergie mécanique sur une durée finie ou élémentaire ” ; {{Al|5}}pour obtenir cette forme locale on écrit le théorème de la variation de l’énergie mécanique d’un solide dans le champ des forces extérieures conservatives entre les instants <math>\,t\,</math> et <math>\,t + dt\;</math><ref> C.-à-d. la forme élémentaire du théorème de la variation de l’énergie mécanique appliqué à un solide.</ref> soit <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on écrit }}«<math>\;dE_m = \delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\,</math> dans un référentiel galiléen » puis, <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on divise les deux membres par <math>\,dt\,</math> soit «<math>\;\dfrac{dE_m}{dt} = \dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{dE_m}{dt}\;</math>» est la dérivée temporelle de l’énergie mécanique du solide dans le champ des forces extérieures conservatives définissant <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}la puissance mécanique du solide à l'instant <math>\,t\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives, notée «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» et <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit }}«<math>\;\dfrac{\delta W_{\text{ext},\, \text{non cons.}}}{dt}\;</math>» la puissance instantanée développée, à l'instant <math>\,t</math>, par les forces extérieures non conservatives <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale on divise les deux membres par <math>\,\color{transparent}{dt}\,</math> soit « }}appliquées au solide notée «<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>», <br>{{Al|5}}{{Transparent|pour obtenir cette forme locale }}on obtient «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» d'où l'énoncé du théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide dans un référentiel d'étude galiléen : {{Théorème|titre=Théorème de la puissance mécanique appliqué à un « solide »|contenu = {{Al|5}}La puissance mécanique à la date <math>\,t\,</math> «<math>\;\dot{E}_m(t)\;</math>» d’un solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> dans le champ des forces extérieures conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}dans le référentiel galiléen <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal}}\,</math> <math>\big[</math>avec, à la date <math>\,t</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;E_m(t) = K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t) + U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie mécanique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;U_{\text{ext}}(t)\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces extérieures <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{U_{\text{ext}}(t)}\;</math>» l'énergie potentielle dont dérivent les forces }}conservatives et <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique à la date <math>\,\color{transparent}{t}\,</math> «<math>\;\color{transparent}{\dot{E}_m(t)}\;</math>» d’un solide <math>\,\color{transparent}{\left( \mathcal{S} \right)}\,</math> }}«<math>\;K_{\left( \mathcal{S} \right)}(t)\;</math>» l'énergie cinétique de <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\big]</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique }}est égale à la puissance instantanée développée par les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> <br>{{Al|5}}{{Transparent|La puissance mécanique est égale à }}«<math>\;\mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math>» appliquées au solide <math>\,\left( \mathcal{S} \right)\,</math> au même instant <math>\,t\,</math> <br>{{Al|5}}soit mathématiquement, «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{non cons.}}\!(t)\;</math> dans le référentiel galiléen <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal}}\;</math>».}} {{Al|5}}<u>Remarque</u> : Sous cette forme le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide est applicable dans le cadre de la dynamique newtonienne ou relativiste. {{Al|5}}<u>Cas particulier</u> : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant <math>\,\big(</math>par exemple absence de frottements solide ou fluide<math>\big)</math>, <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide à un instant <math>\,t\,</math> quelconque se réduit à <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}« la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures toutes conservatives <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant « la nullité, pour tout <math>\;t</math>, de la puissance mécanique d'un solide dans le champ des forces extérieures }}<math>\big(</math>ou ne travaillant pas<math>\big)\;</math>», <br>{{Al|6}}{{Transparent|Cas particulier : En absence de forces extérieures non conservatives travaillant }}c.-à-d., après intégration, « la conservation de l’énergie mécanique du solide précédemment défini ». === Application au cas d’un solide amorti === {{Al|5}}Parmi les forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> appliquées à un solide et travaillant, « les plus fréquentes sont dissipatives » <ref> Mais elles peuvent aussi être motrices par exemple, si nous souhaitons que les oscillations d’un [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] ou d'un [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] perdurent alors qu’existent naturellement des frottements {{Nobr|<math>\,\big(</math>même}} minimes<math>\big)</math>, il est nécessaire de les entretenir à l’aide d’une force extérieure motrice compensant les forces de frottement, cette force motrice étant alors usuellement non conservative tout comme le sont les forces de frottement.</ref> comme les forces de frottement fluide <math>\,\big(</math>ou solide<math>\big)</math> ; {{Al|5}}si les seules forces extérieures non conservatives <ref name="non conservatives" /> travaillant sont des forces de frottement s'exerçant sur un solide en mouvement dans un référentiel galiléen, <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces extérieures <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement le théorème de la puissance mécanique appliqué à ce solide dans le champ des forces }}conservatives <ref name="théorème de la puissance mécanique"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Théorème_de_la_puissance_mécanique_appliqué_à_un_«_solide_»|théorème de la puissance mécanique appliqué à un solide]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}s’écrivant «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}_{\text{ext},\, \text{frott}}\!(t) < 0\;</math>» dans le référentiel d'étude <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen <math>\Rightarrow</math> <br>{{Al|12}}{{Transparent|si les seules forces extérieures non conservatives travaillant sont des forces de frottement }}l'énergie mécanique de ce solide «<math>\;E_m(t) \searrow\,</math> au sens strict » avec <math>\,t\,</math> dans <math>\,\mathcal{R}_{\text{gal.}}</math> <math>\big(</math>il est qualifié d'« amorti »<math>\big)</math>. ==== Cas particulier du pendule de torsion amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] dont la photographie est dans un « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|paragraphe plus haut dans ce chapitre]] » mais <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}avec les masselottes remplacées par des ailettes comme présenté dans le schéma de vue de dessus de la « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|remarque du paragraphe précité]] », <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}^2(t) + C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_solide_dans_le_champ_de_torsion_d’un_fil_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du solide dans le champ de torsion d'un fil et sa conservation en absence de frotemment]] (2^ème exemple) » plus haut dans ce chapitre dans lequel <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + masselottes})\,</math> doit être remplacée par <math>\,J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})</math>.</ref> dans le référentiel <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « }}<math>\big\{</math>avec <math>\,U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> la position d'équilibre <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion l'énergie mécanique du solide « tige + ailettes » étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « <math>\color{transparent}{\big\{}</math>avec <math>\,\color{transparent}{U_{\text{tors}}(\theta) = C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]^2}\,</math> l'énergie potentielle de torsion de référence }}du solide <math>\,\theta_{\text{éq}} = \theta_1\;</math><ref name="justification équilibre" /><math>\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}on en déduit la puissance mécanique du solide « tige + ailettes », à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;\dot{E}_m(t) = J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + 2\;C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]\,\dot{\theta}(t)\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}la puissance du couple de frottement fluide linéaire <math>\,\big(</math>seules forces extérieures non conservatives travaillant de moment scalaire par rapport à l'axe de rotation du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion la puissance du couple de frottement fluide linéaire <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>}}<math>\Delta_C\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t) = - H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="couple de frottement fluide linéaire sur pendule de torsion" />, <math>\,H\,</math> étant une constante positive <ref> Exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau des ailettes, de la disposition de celles-ci par rapport à l'axe et du fluide sur lequel frottent les ailettes.</ref><math>\big)\,</math> <br>{{Al|6}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion la puissance du couple de frottement fluide linéaire }}agissant sur les ailettes du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] étant «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_C}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] (remarque : actions extérieures exercées sur l'ensemble “ tige et ailettes ”) » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion }}le théorème de la puissance mécanique appliqué au [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» ou <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» ou encore, <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + 2\;C\, \left[ \theta(t) - \theta_1 \right]\,\dot{\theta}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}après simplication par <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> non identiquement nulle <ref name="hors position d'équilibre" /> et normalisation <br>{{Al|13}}{{Transparent|Reprenant le pendule de torsion le théorème de la puissance mécanique appliqué au pendule de torsion amorti <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_de_torsion|pendule de torsion]] amorti <ref> Identique à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_de_torsion#Mise_en_équation_différentielle_du_pendule_de_torsion_amorti|mise en équation différentielle du pendule de torsion amorti]] » du chap.<math>7</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Identique }}à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule de torsion par application du théorème de la puissance cinétique]] (2^ème exemple où les masselottes sont remplacées par des ailettes) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <center>«<math>\;\ddot{\theta}(t) + + \dfrac{H}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta(t) = \dfrac{2\;C}{J_{\Delta_C}\!(\text{tige + ailettes})}\;\theta_1\;</math>».</center> ==== Cas particulier du pendule pesant à un degré de liberté amorti par frottement fluide linéaire ==== {{Al|5}}Reprenant le [[w:Pendule_pesant|pendule pesant]] à un degré de liberté dont le schéma est dans un « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|paragraphe plus haut dans le chapitre]] » dans lequel <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}des frottements fluides linéaires agissent sur le [[w:Pendule_pesant|pendule]] comme présentées dans le schéma de la « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_de_torsion_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|remarque du paragraphe précité]] », <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}l'énergie mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> étant, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;E_m(t) = \dfrac{1}{2}\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}^2\!(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_mécanique_du_pendule_pesant_et_sa_conservation_en_absence_de_frottement|énergie mécanique du pendule pesant et sa conservation en absence de frotemment]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> dans le référentiel <math>\;\mathcal{R}_{\text{gal.}}\,</math> galiléen, <br>{{Al|11}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté l'énergie mécanique du P.P.A. étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « }}<math>\big\{</math>avec <math>\,U_{\text{pes}}(\theta) = m\;g\;\mathfrak{a}\, \left\lbrace 1 - \cos\! \left[ \theta(t) \right] \right\rbrace\,</math> l'énergie potentielle de pesanteur <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Énergie_potentielle_de_pesanteur_du_pendule_pesant|énergie potentielle de pesanteur du pendule pesant]] » plus haut dans ce chapitre.</ref> de référence <ref name="référence de l'énergie potentielle" /> <br>{{Al|11}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté l'énergie mécanique du P.P.A. étant, à l'instant <math>\,\color{transparent}{t}</math>, « <math>\color{transparent}{\big\{}</math>}}la position d'équilibre stable du P.P.A. <ref name="P.P.A." /> <math>\,\theta_{\text{équi. stable}} = 0\;</math><ref name="équilibre stable du P.P."/><math>\big\}</math>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}on en déduit la puissance mécanique du P.P.A. <ref name="P.P.A." />, à l'instant <math>\,t</math>, «<math>\;\dot{E}_m(t) = J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \sin\! \left[ \theta(t) \right]\,\dot{\theta}(t)\;</math>» ; <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}la puissance des forces de frottement fluide linéaire <math>\,\big(</math>seules forces extérieures non conservatives travaillant de moment scalaire par rapport à l'axe de <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté la puissance des forces de frottement fluide linéaire <math>\,\color{transparent}{\big(}</math>}}rotation du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]] <math>\Delta_O\,</math> «<math>\;\overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_O}(t) = -H\;\dot{\theta}(t)\;</math>» <ref name="moment scalaire des forces de frottement fluide sur pendule pesant"> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] ».</ref>, <math>\,H\,</math> étant une constante positive <ref> Exprimée en «<math>\;N \cdot m \cdot s = kg \cdot m^2 \cdot s\;</math>» dépendant de la nature du matériau du [[w:Pendule_de_torsion|pendule]], de la forme de celui-ci par rapport à l'axe et du fluide sur lequel il frotte.</ref><math>\big)\,</math> <br>{{Al|6}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté la puissance des forces de frottement fluide linéaire }}agissant sur le [[w:Pendule_pesant|pendule]] étant «<math>\;\mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right] = \overline{\Gamma_{\text{flui.}}}_{\Delta_O}(t)\;\overline{\Omega}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» <ref> Voir le paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (remarque : actions extérieures exercées sur le solide du pendule) » plus haut dans ce chapitre.</ref>, <br>{{Al|5}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté }}le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <ref name="P.P.A." />{{,}} <ref name="théorème de la puissance mécanique" /> <math>\Rightarrow</math> «<math>\;\dot{E}_m(t) = \mathcal{P}\!\left[ \overrightarrow{\Gamma_{\text{flui.}}}(t) \right]\;</math>» ou <br>{{Al|20}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;\dot{E}_m(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t) < 0\;</math>» <math>\Rightarrow</math> «<math>\;E_m(t) \searrow\;</math>» ou encore, <br>{{Al|20}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;J_{\Delta_O}\;\dot{\theta}(t)\;\ddot{\theta}(t) + m\;g\;\mathfrak{a}\, \sin\! \left[ \theta(t) \right]\,\dot{\theta}(t) = -H\;\dot{\theta}^2\!(t)\;</math>» ou <br>{{Al|20}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}après simplication par <math>\,\dot{\theta}(t)\,</math> non identiquement nulle <ref name="hors position d'équilibre" /> et normalisation <br>{{Al|20}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}l’équation différentielle en élongation angulaire du [[w:Pendule_de_torsion|pendule pesant]] amorti <ref> Identique à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Loi_du_moment_cinétique_:_Pendule_pesant_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_P.P.A._à_un_degré_de_liberté|établissement de l'équation différentielle du mouvement du P.P.A. à un degré de liberté]] » du chap.<math>9</math> de la leçon « [[Mécanique_2_(PCSI)|Mécanique 2 (PCSI)]] » par utilisation du théorème du moment cinétique scalaire et <br>{{Al|3}}{{Transparent|Identique }}à celle trouvée au paragraphe « [[Mécanique_2_(PCSI)/Approche_énergétique_du_mouvement_d'un_solide_en_rotation_autour_d'un_axe_fixe_:_Lois_scalaires_de_l'énergie_cinétique_2ème_partie#Établissement_de_l’équation_différentielle_du_mouvement_du_pendule_pesant_(à_un_degré_de_liberté)_par_application_du_théorème_de_la_puissance_cinétique|établissement de l'équation différentielle du mouvement du pendule pesant (à un degré de liberté) par application du théorème de la puissance cinétique]] (remarque établissement de l'équation différentielle du P.P.A.) » plus haut dans ce chapitre.</ref> <br>{{Al|20}}{{Transparent|Reprenant le pendule pesant à un degré de liberté le théorème de la puissance mécanique appliqué au P.P.A. <math>\color{transparent}{\Rightarrow}</math> }}«<math>\;\ddot{\theta}(t) + + \dfrac{H}{J_{\Delta_O}}\;\dot{\theta}(t) + \dfrac{m\;g\;\mathfrak{a}}{J_{\Delta_O}}\;\sin\! \left[ \theta(t) \right] = 0\;</math>». == Notes et références == <references /> {{Bas de page | idfaculté = physique | précédent = 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